[发明专利]一种封装磁性颗粒的针状碳纳米管及其制备方法

说明书

本发明属于复合材料技术领域的碳纳米管制备技术，尤其是一种封装磁性颗粒的针状碳纳米管及其制备方法。本发明的碳纳米管形貌为针状，其特点是具有粗端和细端，粗端直径为140～220nm，细端直径为35～65nm，针状碳纳米管的长度为1.5～4.0μm，其中封装有磁性颗粒。具体制备方法为：将催化剂前体铁盐在溶剂中溶解，加入碳源并搅拌，蒸干溶剂后得到催化剂与碳源的混合物粉末，将混合物在流动惰性气氛下升温至设定温度，并在设定温度保温一定时间，得黑色粉末为封装磁性颗粒的针状碳纳米管，在升温和保温过程中，可以通过改变气体流速、保温温度以及催化剂与碳源的质量比调控碳纳米管的形貌。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及碳纳米管制备技术领域，尤其是一种封装磁性颗粒的针状碳纳米管及其制备方法。

背景技术

碳纳米管是一种一维纳米材料，具有优秀的机械性能、化学稳定性、导电性和导热性，其理想的结构在力学、电学、热学等领域均发挥着重要作用，同时在材料学、化学、生物学、物理学或者一些交叉学科也具有广阔的应用前景，具体可以适用于光学传感器、电极材料、平板显示器、吸波材料等。为了进一步提升碳纳米管的性能，研究人员通过各种方法制备了不同形态的碳纳米管，在多个领域取得了重要成果，如何使用步骤简单且成本低的制备方法，以实现碳纳米管的可控生长，是将碳纳米管推向多元化应用的关键。

目前的碳纳米管制备方法，包括电弧放电法、激光消融法、化学气相沉积法等。电弧放电法是将高纯石墨烯作为阴极和阳极，当两极之间发生电弧放电时，产生的高温会将阳极气化，这些被气化分解的碳会成环，最终形成碳纳米管，沉积在阴极，但是这种方法繁琐复杂，生成的碳纳米管纯度极低，必须经过后续的提纯处理，不适合于大规模量产。激光消融法是利用激光束轰击石墨烯靶，气化后在惰性气氛的携带下沉积于圆锥形水冷铜管的表面而形成碳纳米管，这种方法产率低不利于大规模生产，具有安全隐患且不能准确控制碳纳米管的直径和长度。化学气相沉积法是目前应用比较多的一种方法，它是先沉积一层催化剂基底，之后通入作为碳源的气体，利用高温将碳源气体分解与催化剂接触，催化生成碳纳米管，这种制备方法操作复杂而且沉积系统的成本很高，不利于实际应用，因此，提供一种操作简单、成本低适用于大规模生产且形貌结构可控的碳纳米管制备方法是十分必要的。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种封装磁性颗粒的针状碳纳米管及其制备方法，采用的技术方案为：

一种封装磁性颗粒的针状碳纳米管，形貌为针状，长度为1.5～4.0μm，具有粗端和细端，粗端直径为140～220nm，细端直径为35～65nm，针状碳纳米管内封装有磁性颗粒。

进一步地，所述磁性颗粒为椭球形，其粒径长度为250～400nm；

进一步地，所述磁性颗粒的粒径宽度为130～210nm；

进一步地，所述磁性颗粒为Fe和/或Fe₃C。

一种封装磁性颗粒的针状碳纳米管的制备方法，包括以下具体步骤：

(1)将催化剂前体铁盐溶解于溶剂中，加入碳源并搅拌，蒸干溶剂得混合物粉末；

(2)将步骤(1)中的混合物粉末在惰性气体流动氛围下升温至设定温度并保温，获得黑色粉末即为封装磁性颗粒的针状碳纳米管。

进一步地，步骤(1)中所述催化剂前体铁盐和碳源的质量比为5：4～4：5；

进一步地，所述催化剂前体铁盐和溶剂的质量体积比为1:10～1:50g/mL。

进一步地，步骤(1)中所述催化剂前体铁盐选自六水合三氯化铁和/或乙酰丙酮铁；

进一步地，所述碳源选自三聚氰胺；

进一步地，所述溶剂选自乙醇和/或去离子水。