[发明专利]一种快速选择性填充纳米粒子至碳纳米管管腔内的方法

说明书

本发明涉及碳纳米管复合结构领域，具体为一种电场力驱动的快速选择性填充纳米粒子至碳纳米管中空管腔内的方法。将沉积有薄层碳的阳极氧化铝片组装至电解槽装置上，在电解池注入需填充元素的电解质溶液并插入电极，于两电极间施加直流电压使电解液迅速填充至碳层包覆的阳极氧化铝纳米孔道内，取出阳极氧化铝片、热处理、最后去除阳极氧化铝片模板，即获得纳米粒子填充的碳纳米管复合结构。纳米粒子选择性填充于两端开口的碳纳米管管腔内、分布均匀。该方法填充过程快速，只需0.5秒至5分钟时间；填充量精确可控，含量最高可填满碳纳米管管腔。有效解决目前在碳纳米管内填充纳米粒子的工艺复杂、耗时长、大量填充困难等问题。

技术领域

本发明涉及碳纳米管复合结构领域，具体为一种电场力驱动的快速选择性填充纳米粒子至碳纳米管中空管腔内的方法。

背景技术

碳纳米管的中空管腔是典型的一维限域空间，由于碳纳米管自身特殊的电子结构和限域效应，使得碳纳米管内部物质在结晶性、磁性、电学性能、化学催化活性等方面明显异于宏观材料。碳纳米管与其内部纳米粒子复合而成的新型纳米结构兼具两种单一材料各自的优势，具有大的比表面积、丰富的孔结构、良好的结构稳定性，表现出优异的传导性能、电化学催化活性等，极有潜力作为催化材料或电极材料等获得应用，可控制备出纳米粒子填充的碳纳米管复合结构是相关基础和应用研究的基础。

目前，在碳纳米管内部填充纳米粒子的主要方法有物理吸附法(文献，KumikoAjima,Masako Yudasaka,Tatsuya Murakami,Alan Maigne,Kiyotaka Shiba,SumioIijima,Molecular Pharmaceutics.2(6):475-480(2005))、湿(溶液)法(文献，HongkunZhang,Huaihe Song,Xiaohong Chen,Jisheng Zhou,J.Phys.Chem.C(116):22774-22779(2012))、气相填充法(文献，Narun Thamavaranukup,Henning A.Luisa Ruiz-Gonzalez,Pedro M.F.J.Costa,Jeremy Sloan,Angus Kirkland,Malcolm L.H.Green,Chemi.Commun.(15):1686-1687(2004))、纳米液悬浮直接填充法(文献，GuzeliyaKorneva,Haihui Ye,Yury Gogotsi,Derek Halverson,Gary Friedman,Jean-ClaudeBradley,Konstantin G.Kornev,Nano.Lett.5(5):879-884(2005))、化学气相沉积法(文献，Weiqiang Han,Shoushan Fan,Qunqing Li,Yongdan Hu,Science.277(5330)1287-1289(1997))等。每种方法都有其适用的范围，但也都存在一定问题，例如：难以将纳米粒子100％选择性填充至碳纳米管管腔内，填充过程耗时长、填充效率不高、填充过程不可控、填充物种类单一等。大部分工作需将纳米碳管在氧化性酸溶液中进行切断和开口(文献1，PanXL,Fan ZL,Cheng W,Ding YJ,Luo HY,Bao XH.Nature Materials 6:507(2007)；文献2，Zhang J,Muller JO,Zheng WQ,Wang D,Su DS,Schlogl R.Nano Letters 8:2738(2008))，且获得复合材料的均一性较差。

另外，发明人前期以沉积有碳层的阳极氧化铝为模板，分别采用化学气相沉积法和液相浸渍法将硅颗粒、氧化铁等纳米颗粒选择性填充到碳纳米管中空管腔内(中国发明专利申请1，侯鹏翔，喻万景，李世胜，刘畅，成会明，氧化铁颗粒选择性填充在纳米碳管中空管腔内的方法，专利号ZL200810229969.0；中国发明专利申请2，刘畅，喻万景，侯鹏翔，成会明，一种纳米硅颗粒填充碳纳米管复合物及其制备方法和应用，专利号ZL201210566788.3)；这两种方法仍存在填充过程复杂、填充时间长、填充物种类受限，难以获得高填充率(最大填充率为重量比70％)等不足。