[发明专利]一种过渡金属填充碳纳米管、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种过渡金属填充碳纳米管，其首先将过渡金属盐和三聚氰胺以乙醇为溶剂，在旋转蒸发仪中混合均匀，然后与熔融盐一同球磨，再置于管式炉中高温碳化，最后经过酸洗、水洗和干燥得到。该碳纳米管大规模结构均匀，长度为8～15um，管径为20～100nm，且是末端开口的多壁碳纳米管。能够充当载体，应用于复合材料。在燃料电池中催化氧还原反应，应用于燃料电池。催化水合肼反应，作为传感器材料。具有磁性，应用于生物分离、水处理、水体检测、食品安全检测领域。

技术领域

本发明属于能源、材料制备技术领域，具体涉及一种通过常温熔融盐法制备的填充过渡金属的碳纳米管。

背景技术

碳纳米管(CNT)由于长径和比表面积大、机械性能优异，因此在电子、生物探针、场发射、热传导、特色材料等领域得到了广泛的研究，尤其在环境和能源领域。碳纳米管作为候选材料具有优异的应用，如电极材料，交换膜，催化剂，传感器，微电子元件，燃料电池等。碳纳米管是目前研究的热点，具有相当大的商业开发潜力。目前制备碳纳米管的方法：石墨电弧法、浮动催化法、激光蒸汽法、热解聚合物法、化学气相沉积。在这些方法中，碳源和金属物质的蒸发或分解在气相同时形成，导致气相环境混乱，而且前体昂贵，设备复杂，气体气氛要求苛刻或，同时产量有限。因此，能够简单制备官能化碳纳米管，仍然是碳纳米管商业化所追求的目标。

熔融盐法是近年来发展起来的制备可控纳米材料的绿色工艺，如专利CN105271166A公开了一种以木糖醇为碳源的碳纳米管，其以木糖醇、三聚氰胺和三氯化铁为原料制备而成，且碳纳米管长度在2-12微米，管径在200-600nm。该方法虽然形成了形貌比较均匀的碳纳米管，但制备过程中由于原料混合不均，熔融温度等影响，制备的碳纳米管性能有待提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种可填充碳纳米管的制备方法，

为了实现上述目的，本发明一种过渡金属填充碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：

(1)将过渡金属盐和三聚氰胺放入乙醇中，混合均匀，然后置于旋转蒸发仪中于一定温度下旋蒸一段时间，将乙醇蒸发，得到固体粉末；

(2)将步骤(1)得到的固体粉末与熔融盐粉末球磨均匀，然后置于管式炉中，在惰性气体的保护下，升温至700～900℃进行煅烧，最后经过酸洗、水洗、烘干得到可填充碳纳米管；所述过渡金属盐为铁盐、钴盐、镍盐中的一种或多种，熔融盐为CaCl₂、NaCl、KCl、ZnCl₂、MgCl₂中的一种或多种。

优选地，所述铁盐为氯化铁，熔融盐为氯化钙，氯化铁、氯化钙和三聚氰胺的摩尔比为：(0.7-1.74∶0.492∶2.48)；或所述钴盐为二氯化钴，所述熔融盐为氯化钙，二氯化钴、氯化钙和三聚氰胺的摩尔比为：(1∶1.176∶2.48)；或所述钴盐为二氯化镍，所述熔融盐为氯化钙，二氯化镍、氯化钙和三聚氰胺的摩尔比为：(1∶5.56∶2.48)。

优选地，所述步骤(1)，将过渡金属盐和三聚氰胺放入超声中搅拌30分钟，然后置于旋转蒸发仪中，在45℃下旋蒸1小时。

所述步骤(2)，将固体粉末和熔融盐在6000rpm下，球磨6小时，然后置于管式炉中，在惰性气体的保护下，升温至700～900℃进行反应2-4小时，采用1M硝酸溶液酸洗，水洗至中性，最后在60℃下烘干得到可填充碳纳米管。

本发明制备的过渡金属填充碳纳米管，能够充当载体，应用于复合材料领域；在燃料电池中催化氧还原反应，应用于能源转化领域；催化水合肼反应，作为传感器材料；具有磁性，应用于生物分离、水处理、水体检测、食品安全检测领域。