專利名稱：納米碳管類材料及制備的制作方法
技術領域：
本發明新型結構的富勒烯物質納米碳管類材料及其納米碳功能材料，和上述納米碳管類材料的制備技術，屬于新材料合成及加工技術范疇，主要涉及納米材料、納米碳材料及其功能性納米材料等材料科學、煤炭科學、生物科學、信息科學、晶體學等領域。
目前，制備納米碳管的方法有直流電弧放電法、激光照射法、催化熱解法、電子束照射法等。其中，直流電弧放電法是用碳電極放電，在催化劑的作用下，由碳等離子體形成納米碳管。激光照射法是用激光照射高溫爐中的碳靶，碳靶在催化劑的作用下經蒸發形成納米碳管。催化熱解法是對低分子碳氫化合物進行催化熱解，最終生成納米碳管。電子束照射法是在催化劑的存在下通過對碳膜進行常溫常壓電子束照射使碳膜結構發生轉變。在這些方法中，以電弧放電法的應用較為廣泛。
直流電弧放電法利用碳電極的放電由電極自身經等離子體反應形成納米碳管，其缺點在于大功率的放電對電極質量的要求很高，一般采用石墨電極，普通的非晶態碳難以使用。這樣，在宏量制備納米碳管的工程中，必須首先對非晶態碳原料進行比較嚴格的預處理。另外，由于碳電極自身為犧牲電極，在制備納米碳管的過程中不斷消耗，因此，制備過程的連續化較為困難。
本發明納米碳管類材料及制備的目的是利用廉價的非晶態碳資源-煤炭等，采用等離子體炬反應技術，公開一種由納米微粒催化形成的納米碳管類材料的結構以及制備工藝。
本發明納米碳管類材料，其特征在于它包括由同心圓柱形碳管組成的多壁納米碳管，由截頂納米碳錐疊加而成的多壁納米碳管、空心部分被分隔成相互獨立腔室的呈現竹節狀結構的由多層管壁組成的納米碳管，由納米碳錐疊加而成的管壁與管軸夾角在10-60°范圍的富勒烯物質多壁納米碳繩，納米碳管類材料是直徑在20-150nm范圍之間的納米碳管類材料。
本發明的納米碳管類材料的制備方法，其特征在于是利用非晶態碳作為原料，以金屬、金屬氧化物、非金屬、非金屬氧化物作為催化劑，在等離子體產生的高溫下進行反應，生成納米碳管類材料。其具體制備過程的步驟為Ⅰ．先對非晶態碳進行粉碎、研磨，得到粒度在200目以下的非晶態碳顆粒，然后將所得的非晶態碳顆粒研磨并做超聲波分散，最終得到粒度小于300nm的準納米級和納米級非晶態碳顆粒；Ⅱ．用Ar+離子弧濺射法和激發電子吸收法制得1nm-100nm的金屬、金屬氧化物、非金屬、非金屬氧化物的納米微粒催化劑；Ⅲ．將非晶態碳顆粒與納米微粒催化劑混合，得到非晶態碳顆粒與納米微粒催化劑的混合體；Ⅳ．由H2、Ar和H2/Ar混合物在高壓電場作用下形成等離子體，等離子體在進入反應區后，因正負離子的結合而產生高溫，溫度一般為3000-5000K；Ⅴ．將非晶態碳與納米微粒催化劑的混合物供入反應區的等離子體炬中，在催化劑的作用下，非晶態碳轉變為納米碳管類材料。
本發明的納米碳管類材料的制備方法，其特征在于所利用的非晶態碳，包括各種變質程度的煤炭、由各種變質程度的煤炭制成的活性炭。
本發明的納米碳管類材料的制備方法，其特征在于所述的納米微粒催化劑，包括純金屬納米微粒Al、Ca、Cu、Mn、Mo、Ni、Pt、Fe、Co、La、W、Au、Pd、金屬氧化物納米微粒LaO、Al2O3、Mo2O5、TiO2、Fe2O3、CaO、非金屬納米微粒Si、非金屬氧化物納米微粒SiO2。
本發明的納米碳管類材料的制備方法，其特征在于所述的非晶態碳顆粒與納米微粒催化劑的混合方式包括非晶態碳顆粒與納米微粒催化劑接合、非晶態碳顆粒將納米微粒催化劑堆埋、非晶態碳顆粒與納米微粒催化劑規則配置。
本發明的納米碳管類材料的制備方法，其特征在于所述的納米微粒催化劑在非晶態碳中的添加量為0-10％(質量)，較好為2-4％(質量)。
本發明的納米碳管類材料的制備方法，其特征在于所述的等離子體炬是由工作氣體經高壓電場作用而成，工作氣體包括H2、Ar氣體及其混合物。
本發明的納米碳管類材料的制備方法，其特征在于所制得的納米碳管類材料包括單獨的納米碳管類材料，納米碳管類材料管壁之間夾雜金屬原子和非金屬原子組成的夾層化合物，納米碳管類材料內包金屬、金屬氧化物、非金屬、非金屬氧化物納米微粒組成的復合物。
本發明納米碳管類材料及制備，其優點在于可利用廉價的非晶態碳自然資源及存在于非晶態碳中的納米微粒催化劑，根據生產工藝的需要，調節向非晶態碳中人工添加的納米微粒催化劑量、調節非晶態碳的供料速率和在反應區中的停留時間，從而控制所得納米碳管的種類、直徑和收率。這為更廣泛地利用自然存在的非晶態碳資源，更有效地進行非晶態碳的功能轉化提供了可能。
本發明納米碳管類材料及制備所得的納米碳管類材料，其用途在于可利用納米碳管接合特性、導電性、量子力學效應等重要性能，用作特殊性能要求的電子元件等器件的材料、超導材料、生物材料、醫用材料、非線性光學材料、信息儲存材料、光電材料、催化劑材料、廢水、廢氣凈化材料等新型功能材料，應用范圍十分廣闊，應用前景十分看好。
權利要求
1．本發明納米碳管類材料，其特征在于它包括由同心圓柱形碳管組成的多壁納米碳管，由截頂納米碳錐疊加而成的多壁納米碳管、空心部分被分隔成相互獨立腔室的呈現竹節狀結構的由多層管壁組成的納米碳管，由納米碳錐疊加而成的管壁與管軸夾角在10-60°范圍的富勒烯物質多壁納米碳繩，納米碳管類材料是直徑在20-150nm范圍之間的納米碳管類材料。
2．按照權利要求1所述的納米碳管類材料的制備方法，其特征在于是利用非晶態碳作為原料，以金屬、金屬氧化物、非金屬、非金屬氧化物作為催化劑，在等離子體產生的高溫下進行反應，生成納米碳管類材料。其具體制備過程的步驟為Ⅰ．先對非晶態碳進行粉碎、研磨，得到粒度在200目以下的非晶態碳顆粒，然后將所得的非晶態碳顆粒研磨并做超聲波分散，最終得到粒度小于300nm的準納米級和納米級非晶態碳顆粒；Ⅱ．用Ar+離子弧濺射法和激發電子吸收法制得1nm-100nm的金屬、金屬氧化物、非金屬、非金屬氧化物的納米微粒催化劑；Ⅲ．將非晶態碳顆粒與納米微粒催化劑混合，得到非晶態碳顆粒與納米微粒催化劑的混合體；Ⅳ．由H2、Ar和H2/Ar混合物在高壓電場作用下形成等離子體，等離子體在進入反應區后，因正負離子的結合而產生高溫，溫度一般為3000-5000K；Ⅴ．將非晶態碳與納米微粒催化劑的混合物供入反應區的等離子體炬中，在催化劑的作用下，非晶態碳轉變為納米碳管類材料。
3．按照權利要求2所述的納米碳管類材料的制備方法，其特征在于所利用的非晶態碳，包括各種變質程度的煤炭、由各種變質程度的煤炭制成的活性炭。
4．按照權利要求2所述的納米碳管類材料的制備方法，其特征在于所述的納米微粒催化劑，包括純金屬納米微粒Al、Ca、Cu、Mn、Mo、Ni、Pt、Fe、Co、La、W、Au、Pd、金屬氧化物納米微粒LaO、Al2O3、Mo2O5、TiO2、Fe2O3、CaO、非金屬納米微粒Si、非金屬氧化物納米微粒SiO2。
5．按照權利要求2所述的納米碳管類材料的制備方法，其特征在于所述的非晶態碳顆粒與納米微粒催化劑的混合方式包括非晶態碳顆粒與納米微粒催化劑接合、非晶態碳顆粒將納米微粒催化劑堆埋、非晶態碳顆粒與納米微粒催化劑規則配置。
6．按照權利要求2所述的納米碳管類材料的制備方法，其特征在于所述的納米微粒催化劑在非晶態碳中的添加量為0-10％(質量)，較好為2-4％(質量)。
7．按照權利要求2所述的納米碳管類材料的制備方法，其特征在于所述的等離子體炬是由工作氣體經高壓電場作用而成，工作氣體包括H2、Ar氣體及其混合物。
8．按照權利要求2所述的納米碳管類材料的制備方法，其特征在于所制得的納米碳管類材料包括單獨的納米碳管類材料，納米碳管類材料管壁之間夾雜金屬原子和非金屬原子組成的夾層化合物，納米碳管類材料內包金屬、金屬氧化物、非金屬、非金屬氧化物納米微粒組成的復合物。
全文摘要
本發明納米碳管類材料及制備屬于新材料合成及加工工程技術范疇。是利用煤炭、活性炭等非晶態碳為原料,采用等離子體技術,公開一種新的納米碳管類材料及制備工藝。本發明的納米碳管類材料為由同軸管壁組成的多壁納米碳管;由截頂碳錐迭加而成的多層斜壁納米碳管;中心被分隔成密閉腔室的竹節狀納米碳管;具有新型結構的納米碳繩。納米碳管類材料的生成由非晶態碳中的和人工添加的納米微粒催化劑催化。是具有優良性能的功能材料。
文檔編號B01J19/08GK1318511SQ0112135
公開日2001年10月24日 申請日期2001年6月2日 優先權日2001年6月2日
發明者許并社, 劉旭光, 梁偉, 賈虎生, 衛英慧, 謝克昌 申請人:太原理工大學