本发明专利技术涉及均匀且稳定负载含铁纳米粒子的碳纳米管及其制备方法，以羟基化或羧基化改性的多壁或单壁碳纳米管、非离子型高分子表面活性剂、有机铁化合物为原料，以乙醇或甲醇为介质，在填装量80%高压反应釜中于150-230℃反应4-24h，再将产物在250-800℃和惰性气体保护的条件下加热5min-2h。所得负载含铁纳米粒子的碳纳米管特征在于含铁纳米粒子均匀地负载在碳纳米管的外表面上，所述纳米粒子为三氧化二铁、四氧化三铁、铁等三种之一，其粒径分布窄，平均粒径在5nm~20nm内，在剧烈机械分散或超声分散作用下能够稳定负载在碳纳米管上，在催化、传感器、电磁屏蔽材料、新能源材料、生物技术以及高性能复合材料等领域具有良好的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于碳纳米材料加工与应用
，具体涉及均匀且稳定负载含铁纳米粒子的碳纳米管的制备方法。
技术介绍
碳纳米管是上世纪90年代初发现的一种新型碳材料，通常可分为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管多种类型，工业用碳纳米管的直径一般在几个到100纳米范围，具有较大长径比，是一种典型的一维纳米材料。独特的组成和结构赋予了碳纳米管优异的光、电、磁、热及机械性能，具有广泛的应用前景。经过大量基础与应用研究，当前该领域中已取得了可观的研究成果和技术进步，成为一个重要的碳纳米管材料加工与应用领域。虽然碳纳米管有诸多优异性能，但是在一些特殊的领域，需要对碳纳米管进行各类表面改性或加工才能更好地发挥其突出的特性，从而进一步拓展碳纳米管的应用领域，具有重要的意义。常见的一类表面加工方法是在碳纳米管表面吸附各类纳米粒子，其中主要为以含铁纳米粒子为代表的各类金属氧化物纳米粒子、单质纳米晶颗粒。现有制备负载含铁纳米粒子的碳纳米管的方法，按铁源的种类分，主要有无机铁盐法和有机铁源法两类。前者一般工艺较简单、成本低，但纳米粒子负载不均匀、粒径较大且分布宽，后者工艺相对复杂，成本高，但纳米粒子负载均匀、粒径较小且分布窄。研究发现，目前方法得到的负载含铁纳米粒子的碳纳米管在剧烈搅拌或超声分散过程中稳定性差，纳米粒子容易脱落，在一些应用领域，这个缺点不利于其后续的使用。现有专利公开的制备方法中，有机铁一般需要在多元醇或多元胺等反应介质中进行分解，使得这些技术在成本和环保等方面有其局限性。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种均匀且稳定负载含三氧化二铁粒子的碳纳米管的制备方法。本专利技术的目的之二是提供一种均匀且稳定负载含四氧化三铁粒子的碳纳米管的制备方法。本专利技术的目的之三是提供一种均匀且稳定负载含铁纳米粒子的碳纳米管的制备方法。该方法具有工艺简单、环保、成本低的优点，能很好地解决现有技术的上述缺点，在催化、传感器、电磁屏蔽材料、新能源材料、生物技术以及高性能复合材料等领域具有良好的应用前景。本专利技术采用的技术方案是:一种均匀且稳定负载含三氧化二铁粒子的碳纳米管的制备方法，包括如下步骤: (1)将碳纳米管、非离子型高分子表面活性剂、有机铁化合物三种原料按比例采用一步法或分步法加入到溶剂中，先后采用机械搅拌和超声分散方法得到分散良好的悬浮液，然后将悬浮液转移到高压反应釜中，填装量80%，密封后升温至150-230°(:反应4-2411 ;反应结束后，过滤得到负载含铁氧化物纳米粒子的碳纳米管前驱体； (2)将步骤(I)中得到的负载含铁氧化物纳米粒子的碳纳米管前驱体在惰性气体保护下于250-400°C加热5min-2h，得到目标产物:均匀且稳定负载纳米三氧化二铁粒子的碳纳米管。—种均匀且稳定负载含四氧化三铁粒子的碳纳米管的制备方法，包括如下步骤: (1)将碳纳米管、非离子型高分子表面活性剂、有机铁化合物三种原料按比例采用一步法或分步法加入到溶剂中，先后采用机械搅拌和超声分散方法得到分散良好的悬浮液，然后将悬浮液转移到高压反应釜中，填装量80%，密封后升温至150-230°(:反应4-2411 ;反应结束后，过滤得到负载含铁氧化物纳米粒子的碳纳米管前驱体； (2)将步骤(I)中得到的负载含铁氧化物纳米粒子的碳纳米管前驱体在惰性气体保护下于420-600°C加热5min-2h，得到目标产物:均匀且稳定负载纳米四氧化三铁粒子的碳纳米管。—种均匀且稳定负载含铁纳米粒子的碳纳米管的制备方法，包括如下步骤: (1)将碳纳米管、非离子型高分子表面活性剂、有机铁化合物三种原料按比例采用一步法或分步法加入到溶剂中，先后采用机械搅拌和超声分散方法得到分散良好的悬浮液，然后将悬浮液转移到高压反应釜中，填装量80%，密封后升温至150-230°(:反应4-2411 ;反应结束后，过滤得到负载含铁氧化物纳米粒子的碳纳米管前驱体； (2)将步骤(I)中得到的负载含铁氧化物纳米粒子的碳纳米管前驱体在惰性气体保护下于610-800°C加热5min-2h，得到目标产物:均匀且稳定负载纳米铁粒子的碳纳米管。步骤(I)所述的碳纳米管为羟基化多壁碳纳米管、羟基化单壁碳纳米管、羧基化多壁碳纳米管、羧基化单壁碳纳米管中的至少一种。步骤(I)所述的非离子型高分子表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇中的至少一种。步骤(I)所述的有机铁化合物为三乙酰丙酮铁、二茂铁、羰基铁中的至少一种。步骤(I)所述的碳纳米管、非离子型高分子表面活性剂、有机铁化合物、溶剂的质量比为 1:0.05-1:0.5-2:50-200。步骤(I)所述的溶剂a为甲醇、乙醇中的至少一种。步骤(2)所述的惰性气体为氮气、氩气的至少一种。本专利技术制备得到的改性碳纳米管，是含铁纳米粒子负载于碳纳米管外表面上的纳米复合材料。本制备方法的基本原理为:在非离子型高分子表面活性剂作用下，羟基化或羧基化碳纳米管均匀地分散在乙醇或甲醇介质中，有机铁源在高压高温下分解生成的铁氧化物均匀地沉积在碳纳米管表面上。将所得改性碳纳米管进一步在惰性气氛下加热处理，非离子型高分子表面活性剂发生分解碳化，一方面提高了纳米粒子和碳纳米管之间的结合力，另一方面在不同温度下作为还原剂将铁氧化物还原为不同价态的含铁纳米粒子，包括三氧化二铁、四氧化三铁以及单质铁等三种纳米粒子。本专利技术的实质性优点在于: (I)利用乙醇或甲醇作反应介质，成本低、无毒环保，制备方法工艺简单。(2)负载含铁纳米粒子与碳纳米管之间具有较强结合力，在剧烈机械分散或超声分散作用下能够保持稳定，不易脱落。(3)能够在相同的设备条件下得到三种不同的改性碳纳米管，节省生产投资成本。【附图说明】图1实施例1所制备的表面负载四氧化三铁纳米粒子的改性碳纳米管的扫描电子显微镜图。所示了碳纳米管外表面负载地纳米颗粒分布均匀。图2实施例1所制备的三种不同改性碳纳米管CNTs负载纳米Fe2O3粒子、CNTs负载纳米Fe3O4粒子及CNTs负载纳米Fe粒子的典型XRD图。表明碳纳米管负载了三氧化二铁、四氧化三铁以及单质铁等三种含铁纳米粒子。图3实施例1所制备的表面负载四氧化三铁纳米粒子的改性碳纳米管的热失重曲线图，表明纳米粒子在改性碳纳米管中的重量比为30%。【具体实施方式】以下结合具体实施例对本专利技术做进一步的详细阐述。实施例1 (I)将0.5g碳纳米管、0.05g聚乙烯吡咯烷酮、1.0g三乙酰丙酮铁三种原料加入到40ml乙醇溶剂中，先用机械搅拌15min，然后再用超声波分散lh，得到分散良好的悬浮液，将悬浮液转移到50ml容积的高压反应釜中，密封后放入150°C烘箱，24h后取出过滤得到负载含铁氧化物纳米粒子的碳纳米管前驱体。(2)将步骤(I)中得到的负载含铁氧化物纳米粒子的碳纳米管前驱体在氮气保护下于250°C加热2h，得到目标产物:均匀且稳定负载纳米三氧化二铁粒子的碳纳米管。(3)将步骤(I)中得到的负载含铁氧化物纳米粒子的碳纳米管前驱体在氮气保护下于420°C加热2h，得到目标产物:均匀且稳定负载纳米四氧化三铁粒子的碳纳米管。(4)将步骤(I)中得到的负载含铁氧化物纳米粒子的碳纳米管前驱体在氮气保护下于610°C加热2h，得到目标产物:均匀且稳定负载纳米铁粒子的碳本文档来自技高网...
【技术保护点】
均匀且稳定负载含铁纳米粒子的碳纳米管，其特征在于，在碳纳米管的外表面上均匀且稳定负载了含铁纳米粒子，所述纳米粒子为三氧化二铁、四氧化三铁、铁等三种之一，其粒径分布窄，平均粒径在5nm~20nm内，在剧烈机械分散或超声分散作用下能够稳定负载在碳纳米管上。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：马传国，欧气局，戴培邦，王亚珍，卢江荣，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西;45
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