一種多孔碳納米管的制備方法與流程

本發明涉及一種多孔碳納米管的制備方法，屬有機碳材料制備及應用的技術領域。

背景技術：

碳納米管具有優異的力學、電學和化學性能，在儲能、鋰電池等領域展現出廣闊的應用前景。

傳統碳納米管容易團聚，分散性差，比表面積小，限制了其應用范圍；碳納米管具有多孔特性，可保持高的化學穩定性、導電性，具有比表面積大、孔道結構豐富的特點，但制備難度大，處于科學研究中。

技術實現要素：

發明目的

本發明的目的是針對背景技術的狀況，以碳納米管做原料，經配制溶液、超聲分散、酸氧化、冷凍干燥、真空燒結、酸浸泡、真空抽濾、真空干燥，制成多孔碳納米管，以提高碳納米管的比表面積，擴大碳納米管的應用范圍。

技術方案

本發明使用的化學物質材料為：碳納米管、硫酸、硝酸、高錳酸鉀、鹽酸、無水乙醇、去離子水、氬氣，其組合準備用量如下：以克、毫升、厘米³為計量單位

制備方法如下：

(1)精選化學物質材料

對制備使用的化學物質材料要進行精選，并進行質量純度、濃度、含量控制：

碳納米管：固態固體含碳量98.6％

硫酸：液態液體濃度36％

硝酸：液態液體濃度36％

鹽酸：液態液體濃度36％

高錳酸鉀：固態固體純度98.6％

無水乙醇：液態液體純度99.7％

去離子水：液態液體純度99.9％

氬氣：氣態氣體純度99.9％

(2)氧化處理碳納米管

氧化處理碳納米管是在三口燒瓶上進行的，是在氬氣保護、水循環冷凝狀態下完成的；

①將碳納米管0.5g±0.0001g加入三口燒瓶中；

②配制混酸，將硫酸90mL±1mL、硝酸30mL±1mL加入燒杯中，攪拌5min，配制成混酸，然后加入三口燒瓶中；

③將三口燒瓶置于超聲波分散儀上，進行超聲分散，超聲波頻率40kHz，超聲波分散時間20min；

④超聲分散后，將三口燒瓶置于水浴缸上；

⑤開啟水循環冷凝管，進行水循環冷凝；

⑥開啟氬氣瓶，向三口燒瓶輸入氬氣，氬氣輸入速度30cm³/min；

⑦開啟電熱攪拌器，加熱溫度80℃±2℃，并開始攪拌；

⑧攪拌、氧化反應時間30min±2min，成：氧化物溶液；

⑨碳納米管在氧化反應過程中將發生化學反應，反應式如下：

式中：

C-OH：含羥基的氧化碳納米管

SO₂：二氧化硫

NO₂：二氧化氮

CO₂：二氧化碳

氧化反應后，關閉電熱攪拌器，三口燒瓶內的氧化物溶液隨水浴缸冷卻至25℃；

(3)抽濾

將氧化物溶液置于抽濾瓶的布氏漏斗中，用三層中速定性濾紙進行抽濾，留存濾餅，棄去濾液；

(4)去離子水洗滌、抽濾

將產物濾餅置于燒杯中，加入去離子水100mL，攪拌洗滌5min；

然后將洗滌液置于抽濾瓶的布氏漏斗中，用三層中速定性濾紙進行抽濾，留存濾餅，棄去洗滌液；

去離子水洗滌、抽濾重復進行五次；

(5)真空干燥

將產物濾餅置于石英容器中，然后置于真空干燥箱中干燥，干燥溫度40℃，真空度2Pa，干燥時間480min，干燥后得：含羥基的氧化碳納米管；

(6)合成氧化錳/碳納米管復合材料

①稱取高錳酸鉀0.2g±0.0001g，量取去離子水50mL±0.0001mL，加入燒杯中，成混合溶液；

②將盛有混合溶液的燒杯置于超聲波分散儀中，進行超聲分散，超聲波頻率40kHz，超聲分散時間10min；

③將含羥基的氧化碳納米管0.1g±0.0001g，加入到燒杯的混合溶液中，繼續進行超聲分散，超聲波頻率40kHz，超聲分散時間30min，成含羥基的氧化碳納米管混合液；

④將含羥基的氧化碳納米管混合液加入另一三口燒瓶中，然后置于水浴缸上；

⑤開啟水循環冷凝管，進行水循環冷凝；

⑥開啟氬氣瓶，向三口燒瓶輸入氬氣，氬氣輸入速度30cm³/min；

⑦開啟電熱攪拌器，溫度為25℃，并開始攪拌；

攪拌時間720min，成氧化錳/碳納米管混合液；反應式如下：

式中：

C-MnO₂：氧化錳/碳納米管復合材料

K₂MnO₄：錳酸鉀

停止輸氬氣，停止攪拌，成氧化錳/碳納米管復合液；

(7)真空冷凍干燥

①將氧化錳/碳納米管復合液置于凍干瓶中，然后置于冷凍箱中，進行冷凍，冷凍溫度-80℃，冷凍時間30min；

②將凍干瓶置于冷凍干燥器上，進行真空冷凍干燥；

真空度0.68Pa，冷凍干燥溫度-88℃，冷凍干燥時間4320min；

冷凍干燥后，成氧化錳/碳納米管粉末；

(8)真空燒結

氧化錳/碳納米管的燒結是在真空燒結爐內進行的，是在加熱、氬氣保護下完成的；

①打開真空燒結爐爐腔，用氬氣驅除爐內有害氣體；

②將氧化錳/碳納米管粉末置于石英舟中，將石英舟置于真空燒結爐內的工作臺上，并密閉；

③開啟真空泵，抽取爐內空氣，使爐內壓強達2Pa；

④開啟氬氣瓶，向爐內通入氬氣，氬氣輸入速度80cm³/min，使爐內壓強恒定在1個大氣壓；

⑤開啟加熱器，加熱溫度650℃±2℃，并進行燒結；

⑥燒結后停止加熱，停止輸氬氣，使氧化錳/碳納米管隨爐冷卻至25℃；

(9)制備多孔碳納米管

①稱取氧化錳/碳納米管0.1g±0.0001g，量取鹽酸50mL±1mL，加入三口燒瓶中，成混合液；

②將三口燒瓶置于水浴缸上，水浴缸置于電熱攪拌器上；

③開啟水循環冷凝管，進行水循環冷凝；

④開啟氬氣瓶，向三口燒瓶輸入氬氣，氬氣輸入速度30cm³/min；

⑤開啟電熱攪拌器，在25℃下，攪拌48h，成混合液；

⑥將混合液置于抽濾瓶的布氏漏斗中，用三層中速定性濾紙進行抽濾，留存濾餅，棄去廢液；

⑦去離子水洗滌、抽濾，將濾餅置于燒杯中，加入去離子水100mL，攪拌洗滌5min，然后用三層中速定性濾紙進行抽濾，去離子水洗滌、抽濾重復進行五次；

⑧無水乙醇洗滌、抽濾，將濾餅加入另一燒杯中，加入無水乙醇100mL，攪拌洗滌5min，然后用三層中速定性濾紙進行抽濾，洗滌、抽濾重新進行五次；

⑨真空干燥，將氧化錳/碳納米管置于石英容器中，然后置于真空干燥箱中干燥，干燥溫度60℃，真空度2Pa，干燥時間480min，干燥后得多孔碳納米管；

(10)檢測、分析、表征

對制備的多孔碳納米管的形貌、化學物理性能進行檢測、分析、表征；

用高分辨透射電子顯微鏡進行形貌結構分析；

用X射線衍射儀進行成分分析；

結論：多孔碳納米管為黑色粉體，粉體顆粒直徑≤60nm，孔隙分布在碳納米管表面，孔隙直徑≤10nm，產物純度達99.5％，碳納米管的比表面積提高520％；

(11)產物儲存

將制備的多孔碳納米管儲存于棕色透明的玻璃容器中，密閉避光保存，要防潮、防曬、防酸堿鹽侵蝕，儲存溫度20℃，相對濕度≤10％。

有益效果

本發明與背景技術相比具有明顯的先進性，是針對碳納米管比表面積小的弊端，以碳納米管為原料，經配制溶液、超聲分散處理、酸氧化、冷凍干燥、真空燒結、酸浸泡、洗滌抽濾、真空干燥，制成多孔碳納米管，此制備方法工藝先進，數據精確翔實，產物為黑色粉體，粉體顆粒直徑≤60nm，孔隙分布在碳納米管表面，孔隙直徑≤10nm，產物純度達99.5％，碳納米管的比表面積提高520％，是先進的快速制備多孔碳納米管的方法。

附圖說明

圖1、多孔碳納米管制備狀態圖

圖2、多孔碳納米管形貌圖

圖3、多孔碳納米管X射線衍射強度圖譜

圖中所示，附圖標記清單如下：

1、電熱攪拌器，2、水浴缸，3、三口燒瓶，4、顯示屏，5、指示燈，6、電源開關，7、氬氣瓶，8、氬氣閥，9、氬氣管，10、攪拌器，11、水循環冷凝管，12、出氣孔，13、進水口，14、出水口，15、氬氣，16、水浴水，17、多孔碳納米管，18、混合液，19、攪拌器控制器。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明做進一步說明：

圖1所示，為多孔碳納米管制備狀態圖，各部位置、連接關系要正確，按量配比，按序操作。

多孔碳納米管的制備是在三口燒瓶中進行的，是在水浴、攪拌、水循環冷凝、氬氣保護下完成的；其制備狀態是：三口燒瓶3置于水浴缸2上，水浴缸2置于電熱攪拌器1上，電熱攪拌器1上設有顯示屏4、指示燈5、電源開關6、攪拌器控制器19；水浴缸2內為水浴水16；三口燒瓶3上部設置氬氣管9、攪拌器10、水循環冷凝管11；氬氣管9聯接氬氣閥8、氬氣瓶7；水循環冷凝管11聯接進水口13、出水口14、出氣孔12；三口燒瓶3內部為碳納米管17、混合液18、氬氣15；水浴缸2內的水浴水16要淹沒三口燒瓶3體積的4/5。

制備使用的化學物質的量值是按預先設置的范圍確定的，以克、毫升、厘米³為計量單位。

圖2所示，為多孔碳納米管形貌圖，圖中可知：碳納米管表面不規則分布著孔結構，孔徑≤10nm。

圖3所示，為多孔碳納米管X射線衍射強度圖譜，圖中所示：24.5°處為碳石墨結構的(002)衍射峰，43.4°處為碳石墨結構的(100)衍射峰。