碳纳米管的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳纳米管的制备方法。该制备方法是以金属钠和卤代非芳香烃为原料，所述金属钠和卤代非芳香烃的摩尔比为１－５∶５－１，先将原料和反应溶剂置于反应釜中，所述卤代非芳香烃和反应溶剂的体积比为１－５∶２０－１，然后通入保护气体，再将反应釜的中间管口处连接冷凝回流装置，最后接通冷凝水，在１２０－４００℃下反应０．５－２４小时，得到碳纳米管。本发明专利技术将在碳纳米管及相关产品（如锂离子电池等）的工业化生产中发挥重要作用，应用前景广阔。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，特别是涉及一种化学合成碳纳米管的方法。
技术介绍
碳纳米管(Carbon nanotube)是1991年日本科学家Ii jima在研究石墨电极间电 弧放电时发现的一种新型碳结构，和常见的石墨、金刚石和无定形碳一样，碳纳米管 是由碳元素构成的一种纳米碳材料。理想的纳米碳管是由碳原子形成的石墨烯片层巻 成的无缝、中空的管体。石墨烯片层一般可以从一层到上百层，其中，含有一层石墨 烯片层的称为单壁碳纳米管，含有多层石墨烯片层的则称为多壁碳纳米管。单壁碳纳 米管的直径一般为l-3nm，最小直径约为0.5nm，与(:36分子的直径相当，其长度一般 从几百纳米到几个微米，特殊情况下也能制备毫米级别的超长管。由于单壁碳纳米管 的最小直径与富勒烯分子类似，故也有人称其为巴基管或富勒管。多壁碳纳米管的层 间距约为0.34nm，直径一般在几个纳米到几十纳米，长度一般在微米量级，最长也可 达数毫米。由于纳米碳管具有较大的长径比，所以可以把其看成为准一维纳米材料。碳纳米管独特的结构特点给它带来了一系列新颖、特殊的性质，自从其被发现以 来一直是科学家们研究的热点。首先，碳纳米管具有优异的力学性能，它的抗拉强度 可达到50-200GPa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6;此外，它的弹性模量可达 lTPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。碳纳米管是目前可制备出的具有最 高比强度的材料。同时，碳纳米管还可以作为力学增强材料同其它材料复合，所制得 的复合材料具有超高的力学强度、弹性、抗疲劳性及许多其它优异性质。目前，研究 最多的是碳纳米管增强的高分子材料，这种复合材料相对于原始高分子材料而言不仅 力学性能大大提高，而且具有很好的导电性，对无线电波也有一定的屏蔽能力，可应 用于国防军工领域制备抗静电涂层，雷达吸波材料，以及潜艇飞机的隐身材料。其中， 使用水泥做基体的碳纳米管复合材料耐冲击性好、防静电、耐磨损、稳定性高，不易 对环境造成影响。碳纳米管增强的陶瓷复合材料的强度则更高，韧性和抗冲击性能也 十分优异。其次，碳纳米管具有奇特的电学性质，金属型碳纳米管可以用作纳米尺度的导线， 半导体型碳纳米管可用于制备场效应晶体管等纳电子器件。在半导体性质和金属性质 的碳纳米管之间可以形成具有整流功能的异质结。研究人员制造了在单壁碳纳米管和碳化物之间的异质结构，该结构的界面大小是纳米量级的，代表了目前可以达到的最 小的异质结，在未来的混合纳米器件中将会扮演重要角色。实验观察结果表明，碳纳 米管上的点缺陷会导致碳纳米管局部呈肖特基势垒或异质结状况。利用这个特性可以 制作尺度非常小的纳米电子器件。研究人员已经制出了室温下工作的单分子场效应晶 体管，其增益和速度基本上由接触电阻决定。假如接触电阻减少到量于极限6hQ，开关速度就可以达到10THz。该器件的大小可以达到30纳米以下。还有科学家将自旋极 化的电子从铁磁性物质中注入到多壁碳纳米管中，发现电子自旋的相关传输。这意味 着碳纳米管极有可能发展成为实用的自旋电子器件。碳纳米管的电导是量子化的，其 导电机理是弹道输运，不耗散热量。碳纳米管量子电导比典型的室温工作的量子电导 的尺寸和稳定性高几个数量级，而且碳纳米管同很多分子相互作用后，其电学性质会 发生变化，因而碳纳米管还可以用做检测这些分子的传感器。在能源方面，碳纳米管所占的地位也愈显重要。首先，由于碳纳米管具有独特的 纳米级尺寸和空心结构，使其拥有很大的比表面积，比常用的吸附剂活性炭有更大的 氢气吸附能力，因而非常适合用作储氢的材料。目前，氢气随已被普遍视为未来的清 洁能源，但是，由于氢气密度低，压縮成液体储存十分不方便，因而限制了氢气的推 广应用。碳纳米管自身重量轻，具有中空的结构，不仅可以作为储存氢气的优良容器， 而且储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。适当加热，氢气就可以慢慢 释放出来。研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带式的储氢容器。目前，碳 纳米管储氢研究正处于起步阶段，储氢条件多为低温或高压，或兼而有之，储氢时间 一般为几小时到十几小时。碳纳米管在储氢率方面有明显的优势，尤其是碳材料具有 价格低廉，化学性能稳定，密度小的优势，因而碳纳米管在储氢方面的应用前景良好。 另外，在电池方面，碳纳米管还可用作锂离子电池的阴极材料，多壁碳纳米管的层间 距略大于石墨的层间距，这一特点非常有利于Li+的嵌入与迁出，实验结果表明用碳 纳米管作阴极的锂离子电池的嵌Li+容量和充放电稳定性均比传统石墨基锂离子电池 提高很多，因此，碳纳米管有望成为一种新型的锂离子电池材料。此外，由于碳纳米管具有非常大的长径比，沿其管轴方向具有比较高的热导率， 因此，碳纳米管也是优良的热导材料；同时，其垂直于管轴方向的热导率却很低，因 此，还可将碳纳米管制成各向异性的导热材料。碳纳米管还具有优异的场发射性能， 它的发射阀值低、发射电流密度大、稳定性高，可用于制作高性能平板显示器。韩国 的三星电子公司已展示了用碳纳米管制造的平板显示器。碳纳米管较大的比表面积使 其还可以作为优良的催化剂载体，吸附更多催化剂颗粒，从而使催化剂的活性和选择 性极大获得大幅提高，将为工业生产带来巨大的经济效益。综上所述，纳米碳管作为目前强度最高、直径最细的一维纳米碳材料，具有独特 的力学、化学和电子学性能，可用作增强材料制备高强度复合材料，既有碳纤维材料 的固有性质，又具有金属材料的导电和导热性、陶瓷材料的耐热和稳定性，纺织材料 的柔软和编织性，以及高分子材料的易加工性，具有广泛的应用范围和极具潜力的应 用前景。目前，碳纳米管的生产方法主要有电弧法、激光烧蚀法和催化热解法，其它方法 还有热解聚合物法、火焰法、离子辐射法、电解法、低温固体热解法和球磨法。其中，电弧法是在惰性气体的保护下，将两根石墨电极间通以较大电流，两极间气体放电。1991年，Iijima就是在用电弧放电制备U时发现了碳纳米管。电弧法制 备碳纳米管受以下几个条件的影响，分别是惰性气体种类，反应室压力，石墨电极中 催化剂的成分和含量，电流的性质(直流或交流)，电压，电极的相对尺寸等等。电 弧法制备碳纳米管，由于反应温度较高，所以碳管的石墨化程度较高，结构完整，直 径分布均匀，但含有杂质较多，难于控制生长，而且产量较小，工艺复杂，耗能高， 重现性比较差，无法进行大规模的工业生产。激光烧蚀法是通过强激光束蒸发石墨靶制备碳纳米管。激光蒸发法与电弧法同样 存在耗能高，无法进行大规模工业化应用的缺点。按照加入催化剂的方式，可将催化热解法分为基体法、喷淋法和流动催化法，催 化剂一般采用Fe、 Co、 Ni或其组合。基体法是将催化剂承载在基体上，然后通入碳 源气体使之分解，基体法分解碳源一般采用化学气相沉积法，这种方法可以制备出纯 度较高的碳管，而且可以实现碳管的可控生长。另外，沸腾床法是使原料气体流过气 体分布板，活化的催化剂一直在运动，相互间距离远大于固定的基板，像在沸腾一样。 喷淋法是将催化剂溶解于液体碳源中，使反应炉的温度达到生长温度，然后再将溶有 催化剂的碳源喷洒到炉内。流动催化法是将气态的催化剂前驱体同碳源气体一同引入 反应室，在不同温区完成前驱体和碳源气体的分解。催化热解法单位时间内的产本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备碳纳米管的方法，是以金属钠和卤代非芳香烃为原料，所述金属钠和卤代非芳香烃的摩尔比为１－５∶５－１，先将原料和反应溶剂置于反应釜中，所述卤代非芳香烃和反应溶剂的体积比为１－５∶２０－１，然后通入保护气体，再将反应釜的中间管口处连接冷凝回流装置，最后接通冷凝水，在１２０－４００℃下反应０．５－２４小时，得到碳纳米管。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王金泳，许军舰，李彦，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]