[发明专利]一种细管径碳纳米管的制备方法

说明书

本发明属于新材料技术领域，涉及了一种细管径碳纳米管的制备方法：将铁离子与有机配体通过溶剂热法生成含铁的金属有机骨架化合物，经分离、洗涤、干燥后，浸润含稀土离子的溶液，随后在惰性气体中碳化获得负载有铁的多孔碳材料；接着以此直接作为固态碳源和催化剂，采用高温等离子体法从等离子体炬中喷出，通过高温将碳源和催化剂气化，并后随后下行冷却时生长碳纳米管。由于金属有机骨架化合物衍生的多孔碳材能使原有的铁元素获得超细颗粒的均匀分布，且多孔碳有利于高温气化，为超细碳纳米管生长提供了超细纳米催化剂和高活性碳源，大大提高了细管径碳纳米管的生长效率，是制备细管径碳纳米管和单壁碳纳米管的有效手段，具有重要实际应用价值。

技术领域

本发明属于新材料技术领域，涉及一种纳米碳材料，特别涉及一种细管径碳纳米管的制备方法。

背景技术

碳纳米管是一种由碳-碳共价键构成的一维管状纳米结构，有其完好的结晶型碳结构，使其在力学、电学和热学等领域展现出诱人的应用前景，在结构复合材料、导电填料、能源、热管理及功能器件领域都具有广阔应用前景。尤其在力学增强和导电填充领域，其一维纳米结构和自身特性的优势结合，使其超越传统填充改性材料，有望成为一类大宗基础材料，拥有巨大的潜在市场规模。

碳纳米管根据其结构可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，随着其管径的变细，其用于导电填料时的导电阈值越低，尤其是管径低于2纳米的单壁碳纳米管，其导电阈值可低至万分之一，是现有常规材料无法企及的。因此，细管径碳纳米管乃至单壁碳纳米管的开发，是切实推动碳纳米管在导电填料领域应用的关键主流方向。目前，碳纳米管的制备方法主要有：化学气相沉积法、电弧烧蚀法、激光法、等离子体法等，其中化学气相沉积法是相对成熟的工艺路线，已经获得产业化应用。但化学气相沉积法由于固有的反应温度低带来的碳纳米管结晶程度低的不足，导致化学气相沉积法制备碳纳米管缺陷含量高，导电性远不能与激光法、电弧法及等离子法等高温制备法相比。由于细管径碳纳米管表面曲率半径小，碳-碳扭曲严重，导致其成键势垒很高。传统化学气相沉积法由于反应温度低，碳-碳在重构过程中不能很好地跨越其成键势垒，往往形成大量非完整sp2结构，造成碳纳米管内部缺陷，严重阻碍了电子传输，降低其导电性。因此，提高催化剂活性或提升反应温度是制备细管径碳纳米管的关键要素。但大部分高温反应路线都是一种瞬态高温，如何保持碳纳米管生长催化剂的细小尺寸，是控制碳纳米管管径最核心的技术。因为大部分高温制备碳纳米管的方法，高温区均可高达2000℃甚至20000℃，作为催化剂的金属颗粒大部分都已呈液态，极易融合长大，甚至失去自身的活性。因此，既要获得高温反应环境，又避免催化的长大甚失活，是高结晶度、细管径碳纳米管制备领域的重要难点。

中国发明专利 201010234322.4公开了一种直径可控单壁碳纳米管的制备方法，采用高温电弧烧蚀的方法，将碳粉和金属催化剂填充入碳电极中，通过电弧直接烧蚀制备碳纳米管。中国发明专利200610040936.2公开了一种利用大功率等离子体发生器制备碳纳米管的方法，直接将煤炭粉末注入高温等离子体中，制备得到大部分是大管径的多壁碳纳米管。由于该类高温工艺均无法精确控制催化剂在高温下的均匀分布，碳纳米管管径的有效控制依然是一项具有挑战性的工作。中国发明专利201110315452. 5公开了一种碳纳米管的制备方法，将金属盐溶液负载在钼或锆基底上，置于直流等离子体喷射化学气相沉积设备腔内的沉积台上,直流电弧形成高温等离子体使用金属盐分解还原后生成Ni/MgO催化剂，随后通入碳氢化合物气体高温裂解形成碳纳米管。这种高温生长工艺，虽可人为控制催化剂的结构，但仅适合于有基底生长，且其中催化剂在高温下也容易融合团聚，对高结晶度、细管径碳纳米管可控制备依然存在很大难度。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种细管径碳纳米管的制备方法，以解决现有技术的上述以及其他潜在问题中任一问题。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：一种细管径碳纳米管的制备方法，该方法具体包括：

S1.制备含铁的金属有机骨架化合物；