專利名稱：一種由含硝基有機爆炸物的爆炸制備碳納米管的方法
技術領域：
本發明屬于一種碳納米管的制備方法，具體地說涉及一種由含硝基有機爆炸物的爆炸制備碳納米管的方法。
背景技術：
自從1991年發現碳納米管以來，碳納米管就以它奇特的結構和性質顯示出巨大的應用前景，從而引起化學、物理和材料科學領域的廣泛關注。研究表明，碳納米管具有優異的機械性能，其強度是鋼的近百倍，楊氏模量高達1TPa，并具有很好的可彎曲性，這些可使它作為復合材料的增強、增塑、增韌劑。碳納米管獨特的電性能使它可用于大規模集成電路、超導線材等領域。由于其獨特的中空結構，它是目前最好的儲氫材料，在燃料電池汽車及其它需要大規模儲能的領域有廣闊的應用前景。它依靠超聲波高速(1萬米/秒)傳遞熱量，并只在一維方向上傳遞，這使它可用作計算機芯片的導熱板，發動機、火箭等高溫部件的防護材料。同時，它還是制造場發射、微電極和SPM探針顯微鏡的針尖等的極好材料。但是，現在對于碳納米管的研究還處在實驗室的水平，要使它得到實際應用，關鍵在于解決它的工業化生產問題。
目前已經開發出一些制備碳納米管的方法，主要有電弧放電法、碳氫化合物的催化熱解法、等離子體噴射分解沉積法和激光蒸發氣相催化沉積法等。電弧法、等離子法和激光法設備復雜、造價昂貴，只能用于實驗室研究，難于規模化生產。碳氫化合物的催化熱解法近年來研究和使用得較多，是一種最被人看好工業化的技術，但是仍存在以下問題(1)納米管的生長決定于催化劑的粒徑，這就需要嚴格控制催化劑的粒度；(2)為將碳氫化合物加熱到所需溫度(＞700℃)，需要外加高溫熱源；(3)碳納米管的生長和產率受溫度、碳氫化合物的比例和空速等因素的很大影響，過程控制較為困難；(4)由于該方法主要采用負載金屬催化劑，載體的存在加大了純化和分離的難度。
基于上述原因Edwin Kroke等人利用爆炸法合成出碳納米管，但他們使用的炸藥2，4，6-三疊氮基三氮雜苯C3N12需特殊制備，成本高，不易得。從該化合物的分子式可以看出其碳含量相當低，重量比僅為17.6％，反應時又沒有添加其他物質作為碳源，以致制得的碳納米管產率很低，使其應用受到很大限制。
發明內容
本發明的目的是提供一種低成本、碳納米管產率高的制備碳納米管的方法。
本發明的制備方法是(1)將金屬鹽、含硝基有機爆炸物及含碳添加物按重量比為金屬鹽∶含硝基有機爆炸物∶含碳添加物＝1∶3-30∶0-5混合作為反應物；(2)將反應物以0.1-0.5克/毫升的裝填密度裝入一密封的不銹鋼反應器，將反應器加熱到220-420℃發生爆炸，待反應器冷卻后，排空氣體，收集固體產物。
如上所述含硝基有機爆炸物包括苦味酸、間二硝基苯、梯恩梯等；金屬鹽是鐵、鈷、鎳的甲酸鹽、乙酸鹽、草酸鹽、碳酸鹽等；含碳添加物包括萘、菲、蒽、聯萘酚、硬脂酸等。
本發明具有如下優點(1)所用炸藥及其它原料廉價易得，有利于降低成本。
(2)可在較低的溫度下操作，能耗低。
(3)起催化作用的金屬納米顆粒，在爆炸過程中原位、實時形成，省去了催化劑的預制備過程。
(4)合成的碳納米管含量較高，一般在40-90％。
(5)反應所需時間較短，有利于快速合成。
(6)合成反應工藝流程簡單，操作簡便，影響因素少，便于控制，重現性好，可連續化或半連續化操作，易于規模化生產。
具體實施例方式實施例1
稱取2.00克苦味酸、0.39克菲和0.11克乙酸鈷，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應器。加熱至313.0℃發生爆炸，瞬間壓力達40MPa，平衡壓力為20MPa。停止加熱后自然冷卻。將氣態產物排出，收集固體產品，所得樣品重0.55克。在透射電鏡(TEM)下觀察，納米管的量約占90％，管長0.5-20μm，管徑分布為20-30nm。
實施例2稱取1.00克苦味酸、0.26克蒽和0.26克甲酸鎳，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應器。加熱至340.7℃發生爆炸，瞬間壓力達30MPa，平衡壓力為16MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態產物排出，收集固體產品，所得樣品重0.30克。在透射電鏡(TEM)下觀察，納米管量約為60％，其長度0.2-10μm，管徑分布為20-30nm。
實施例3稱取2.70克間二硝基苯、0.26克萘和0.11克碳酸鈷，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應器。加熱至414.8℃發生爆炸，瞬間壓力達60MPa，平衡壓力為20MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態產物排出，收集固體產品，所得樣品重0.88克。在透射電鏡(TEM)下觀察，納米管量約為50％，管長0.3-12μm，管徑分布為30-40nm。
實施例4稱取2.00克苦味酸、0.42克聯萘酚和0.10克乙酸鈷，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應器。加熱至321.6℃發生爆炸，瞬間壓力達40MPa，平衡壓力為20MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態產物排出，收集固體產品，所得樣品重0.34克。通過透射電鏡(TEM)可觀察到納米管量約為80％，管長0.3-25μm，管徑分布為20-30nm。
實施例5稱取2.00克梯恩梯、0.26克菲和0.07克甲酸鎳，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應器。加熱至227.4℃發生爆炸，瞬間壓力達40MPa，平衡壓力為18MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態產物排出，收集固體產品，所得樣品重0.15克。經透射電鏡(TEM)觀察分析，樣品中約有50％是納米管，管長0.3-10μm，管徑分布為20-30nm。
實施例6稱取1.07克間二硝基苯、0.20克乙酸鈷，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應器。加熱至395.0℃發生爆炸，瞬間壓力達35MPa，平衡壓力為15MPa，停止加熱后自然冷卻，將氣態產物排出，收集固體產品，產物重0.62克。經透射電鏡(TEM)觀察，納米管的量約占45％，管長0.5-12μm，管徑分布為30-40nm。
實施例7稱取1.00克苦味酸、0.33克蒽和0.33克乙酸鎳，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應器。加熱至326.9℃發生爆炸，瞬間壓力達30MPa，平衡壓力為13MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態產物排出，收集固體產品。制得的樣品重0.54克。將它置于透射電鏡(TEM)下觀察，可見納米管的量約40％，管長0.5-12μm，管徑分布為20-30nm。
實施例8稱取1.50克梯恩梯、0.19克萘和0.22克草酸鈷，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應器。加熱至246.3℃發生爆炸，瞬間壓力達40MPa，平衡壓力為16MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態產物排出，收集固體產品，樣品重0.21克，經透射電鏡(TEM)觀察，納米管量約占55％，管長0.5-15μm，管徑分布為20-30nm。
實施例9稱取1.40克間二硝基苯和0.20克碳酸鐵，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應器。加熱至416.3℃發生爆炸，瞬間壓力達40MPa，平衡壓力為20MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態產物排出，收集固體產品，樣品重1.08克。在透射電鏡(TEM)下能觀察到約有40％是納米管，管長0.1-14μm，管徑分布為30-40nm。
實施例10稱取2.00克苦味酸、0.62克硬脂酸和0.23克四水合乙酸鈷，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應器。加熱至334.6℃發生爆炸，瞬間壓力達40MPa，平衡壓力為20MPa。停止加熱后水冷，將氣態產物排出，收集固體產品，產物重0.76克。用透射電鏡(TEM)觀察樣品，發現納米管的量約占60％，其長度為0.3-15μm，管徑分布為20-30nm。
實施例11稱取1.50克梯恩梯、0.27克聯萘酚和0.05克草酸鎳，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應器。加熱至253.2℃發生爆炸，瞬間壓力達40MPa，平衡壓力為20MPa。停止加熱后水冷，將氣態產物排出，收集固體產品，產物重0.36克。用透射電鏡(TEM)觀察樣品，發現納米管的量約占50％，管長0.5-14μm，管徑分布為20-30nm。
實施例12稱取1.50克梯恩梯、0.30克菲和0.20克碳酸鐵，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應器。加熱至260.5℃發生爆炸，瞬間壓力達40MPa，平衡壓力為18MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態產物排出，收集固體產品，產物重0.51克。用透射電鏡(TEM)觀察樣品，發現納米管的量約占40％，管長0.2-13μm，管徑分布為20-30nm。
權利要求
1.一種由含硝基有機爆炸物的爆炸制備碳納米管的方法，其特征在于制備方法是(1)將金屬鹽、含硝基有機爆炸物及含碳添加物按重量比為金屬鹽∶含硝基有機爆炸物∶含碳添加物＝1∶3-30∶0-5混合作為反應物；(2)將反應物以0.1-0.5克/毫升的裝填密度裝入一密封的不銹鋼反應器，將反應器加熱到220-420℃發生爆炸，待反應器冷卻后，排空氣體，收集固體產物。
2.如權利要求1所述的一種由含硝基有機爆炸物的爆炸制備碳納米管的方法，其特征在于所述的含硝基有機爆炸物包括苦味酸、間二硝基苯或梯恩梯。
3.如權利要求1所述的一種由含硝基有機爆炸物的爆炸制備碳納米管的方法，其特征在于所述的金屬鹽是鐵、鈷、鎳的甲酸鹽、乙酸鹽、草酸鹽或碳酸鹽
4.如權利要求1所述的一種由含硝基有機爆炸物的爆炸制備碳納米管的方法，其特征在于所述的含碳添加物包括萘、菲、蒽、聯萘酚或硬脂酸。
全文摘要
一種由含硝基有機爆炸物的爆炸制備碳納米管的方法，是將金屬鹽、含硝基有機爆炸物及含碳添加物按重量比為金屬鹽∶含硝基有機爆炸物∶含碳添加物＝1∶3－30∶0－5混合作為反應物；將反應物以0.1－0.5克/毫升的裝填密度裝入一密封的不銹鋼反應器，將反應器加熱到220－420℃發生爆炸，待反應器冷卻后，排空氣體，收集固體產物。本發明作為碳納米管的制備原料來源豐富，爆炸過程、工藝和設備簡單，能耗低，耗時短，金屬催化劑原位、實時形成，無需預制備，碳納米管的產率高，便于連續化放大生產。
文檔編號C01B31/00GK1428295SQ01131678
公開日2003年7月9日 申請日期2001年12月27日 優先權日2001年12月27日
發明者朱珍平, 盧怡, 吳衛澤, 劉振宇 申請人:中國科學院山西煤炭化學研究所