一种有机溶剂填充的碳纳米管的制备方法技术

本发明专利技术第一次公开了通过超临界流体技术，用有机溶剂填充的碳纳米管的制备方法。具体来讲，是指用像苯、甲苯、戊烷、异戊二烯、四氯甲烷、甲醇、乙醇、乙腈等极性或非极性的有机溶剂填充的，直径为１－２００纳米、长度为０．０１－５０微米的、单壁或多壁碳纳米管。这种方法的填充效率高，切实可行，操作方便可控。采用本方法，可以大量而有效地得到纳米流体，这为实施纳米化学实验，开拓了一个广阔的思路，同时，为探索这种被有机溶剂填充的碳纳米管的独特性能，进行纳米化学反应打下了坚实的基础。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
一种有机溶剂填充的碳纳米管的制备方法
：本专利技术涉及一种有机溶剂填充的碳纳米管的制备方法。
技术介绍
：用碳纳米管作纳米反应器的纳米化学反应，对于实验和理解维数和尺寸对化学性质的影响等基本概念，具有极其重要的意义。而要实现碳纳米管内的化学反应的前提条件，便是要找到一个有效而系统的方法将有机溶剂填充到碳纳米管中去。早期用于填充碳纳米管的方法主要是通过毛细管作用，它可以使一些金属(Ajayan，P.M.；Iijima，S.Nature 1993，361，333.)和无机材料(Tsang，S.C.；Chen，Y.K.；Harris，P.J.F.；Green，M.L.H.Nature 1994，372，159.)以分子形式或液态进入碳纳米管。然而，这种方法的填充效率低，且难以控制。美国科学家Pederson和Broughton根据计算机模拟的结果，早在1992年就曾经预测，可以通过毛细管作用将液体填充到开口的碳纳米管中(Pederson，M.R.；Broughton，J.Q.Phys.Rev.Lett.1992，69，2689)。然而，至今还没有用有机溶剂填充碳纳米管的实验报道，主要是因为，在通过毛细管作用填充的过程中，其填充效率要受被填充材料的表面张力、粘度、接触角以及管的直径等多种因素的影响。本专利技术提供了一种有效的填充碳纳米管的方法，这种方法第一次采用超临界流体技术将有机溶剂填充到碳纳米管中去。像二氧化碳等超临界流体与传统的溶剂相比有许多优点：它不可燃、基本无-->毒并且环境友好，它比较低的临界温度(31.1℃)和压力(73.8巴)很容易得到，因而，许多研究者称之为一种“可持续的绿色溶剂”(Cooper，A.I.Adv.Mater.2001，13，1111.)。超临界的二氧化碳的粘度比许多液态溶剂低得多，它相当低的表面张力和表面能——甚至比许多全氟化碳低——使其具有很好的润湿性能。同时，采用超临界的二氧化碳，产品容易分离和纯化，溶剂用量少。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于采用超临界流体技术，有效地将有机溶剂填充到碳纳米管中，而获得大量的被密封在碳纳米管中的纳米流体，为实现在碳纳米管中的纳米级的化学反应打下坚实的基础。本专利技术提供的一种装有有机溶剂的碳纳米管，是指用像甲苯、苯、戊烷、异戊二烯、四氯甲烷、甲醇、乙醇、乙腈等极性或非极性的有机溶剂填充的，直径为1-200纳米、长度为0.01-50微米的、单壁或多壁碳纳米管。本专利技术制备有机溶剂填充的碳纳米管分二步进行：第1步，碳纳米管的纯化和处理：将单壁或多壁碳纳米管加入到质量为碳纳米管500-5000倍的硫酸和硝酸的混和酸中，混合酸中硫酸和硝酸体积比为3∶1。超声1-5小时，用蒸馏水稀释后过滤，并洗至中性，真空干燥，得到长度为0.01-50微米的纯化的碳纳米管。第2步，碳纳米管的填充：将上述经纯化处理后的碳纳米管和-->有机溶剂按1∶60的质量比加入到高压容器后，放入恒温水槽，当温度恒定在30-100℃，优选为30-45℃，通过泵压注入二氧化碳或低碳烃，使压力达到3.0×105-30×105帕斯卡，优选为11×105-15×105帕斯卡，保持2-24小时后，将温度降至室温，容器减压放空，取出样品真空干燥后，得到有机溶剂填充的碳纳米管。在透射电子显微镜下观察，其填充效率高达90％以上。所述的有机溶剂包括苯、甲苯、戊烷、异戊二烯、四氯甲烷、甲醇、乙醇、乙腈等极性或非极性的溶剂。所述的低碳烃包括甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等碳原子数小于4的烃类。本专利技术提供的有机溶剂填充的碳纳米管具有以下特征和优点：1.本专利技术第一次公开了通过超临界流体技术，用有机溶剂填充碳纳米管的方法。2.本专利技术公开的方法，与传统的毛细管方法相比，大大提高了填充效率，切实可行，操作方便可控。产品容易分离和纯化，溶剂用量少。3.本专利技术采用的超临界二氧化碳，安全可靠，不燃烧，无毒无污染，是一种可持续的绿色溶剂。4.本专利技术公开的方法，可以大量而有效地得到纳米流体，这为实施纳米化学实验，开拓了一个广阔的思路，同时，为探索这种被有机溶剂填充的碳纳米管的独特性能，进行纳米化学反应打下了坚实的基础。-->附图说明：图1  通过超临界二氧化碳用有机溶剂填充碳纳米管的装置结构示意图。1-二氧化碳气瓶，2-注射泵，3、5、7-阀门，4-数字气压计，6-不锈钢高压容器，8-水槽，9-控温仪。图2  有机溶剂填充的碳纳米管的透射电子显微镜照片。实施例：下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细说明。实施例1将100毫克的多壁碳纳米管加入到20毫升的硫酸和硝酸的混合酸中(体积比为3)，超声2小时，用100毫升的水稀释后过滤，再用蒸馏水洗至中性，真空干燥，得到纯化的被切短的碳纳米管，其直径为50-80纳米，长度为0.5-5微米。如图1所示，将20毫克经纯化处理后的碳纳米管和1.5毫升的甲苯加入到不锈钢高压容器6后，放入恒温水槽8，调节控温仪9，使温度恒定在40℃，打开阀门3和5，通过注射泵2注入二氧化碳，当气压计4的压力达到1.1×106帕斯卡后，关闭阀门3，保持此压力和温度15小时后，将温度降至室温，打开阀门7使高压容器6减压放空，取出样品真空干燥后，得到有机溶剂填充的碳纳米管。在透射电子显微镜下观察，得到电镜照片如图2所示，其填充率高达90％以上。实施例2按实施例1的制备方法，只是将甲苯换为苯，所得到的碳纳米管的填充率同样高达90％以上。-->实施例3按实施例1的制备方法，只是将甲苯换为戊烷，所得到的碳纳米管的填充率高达90％以上。实施例4按实施例1的制备方法，只是将甲苯换为四氯甲烷，所得到的碳纳米管的填充率高达90％以上。实施例5按实施例1的制备方法，只是将甲苯换为异戊二烯，所得到的碳纳米管的填充率高达90％以上。实施例6按实施例1的制备方法，只是将甲苯换为甲醇，所得到的碳纳米管的填充率高达90％以上。实施例7按实施例1的制备方法，只是将甲苯换为乙醇，所得到的碳纳米管的填充率高达90％以上。实施例8按实施例1的制备方法，只是将甲苯换为乙腈，所得到的碳纳米管的填充率高达90％以上。实施例9按实施例1的制备方法，只是将多壁碳纳米管换为单壁碳纳米管，经纯化处理后得到碳纳米管的直径为1-1.5纳米，长度为50-2000纳米，用甲苯填充，所得到的碳纳米管的填充率达70％以上。实施例10按实施例1的制备方法，只是将水槽温度从40℃升到60℃，所得到的碳纳米管的填充率达65％以上。实施例11按实施例1的制备方法，只是将不锈钢高压容器的压力从1.1×106帕斯卡降为0.75×106帕斯卡，所得到的碳纳米管的填充率为20％以上。实施例12按实施例1的制备方法，只是将恒温恒压的时间从-->15小时降为5小时，所得到的碳纳米管的填充率为30％以上。实施例13按实施例1的制备方法，只是将二氧化碳换为乙烷，所得到的碳纳米管的填充率高达90％以上。实施例14按实施例1的制备方法，只是将二氧化碳换为乙烯，所得到的碳纳米管的填充率高达90％以上。实施例15按实施例1的制备方法，只是将二氧化碳换为乙炔，所得到的碳纳米管的填充率高达90％以上。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有机溶剂填充的碳纳米管的制备方法，其特征在于：按照下列步骤进行：（１）碳纳米管的纯化和处理：将单壁或多壁碳纳米管加入到质量为碳纳米管５００－５０００倍的硫酸和硝酸的混和酸中，混和酸中硫酸和硝酸的体积比为３∶１，超声１－５小时，用蒸馏 水稀释后过滤，并洗至中性，真空干燥，得到长度为０．０１－５０微米的纯化的碳纳米管，（２）碳纳米管的填充：将上述经纯化处理后的碳纳米管与极性或非极性有机溶剂按质量比１∶６０加入到高压容器后，在３０－１００℃恒温后，通过泵压注入二氧化碳或低 碳烃，使压力达到３．０×１０↑［５］－３０×１０↑［５］帕斯卡，保持２－２４小时后，得到有机溶剂填充的碳纳米管。

【技术特征摘要】
1.一种有机溶剂填充的碳纳米管的制备方法，其特征在于：按照下列步骤进行：(1)碳纳米管的纯化和处理：将单壁或多壁碳纳米管加入到质量为碳纳米管500-5000倍的硫酸和硝酸的混和酸中，混和酸中硫酸和硝酸的体积比为3∶1，超声1-5小时，用蒸馏水稀释后过滤，并洗至中性，真空干燥，得到长度为0.01-50微米的纯化的碳纳米管，(2)碳纳米管的填充：将上述经纯化处理后的碳纳米管与极性或非极性有机溶剂按质量比1∶60加入到高压容器后，在30-100℃恒温后，通过泵压注入二氧化碳或低碳烃，使压力达到3.0×105...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘云圻，王贤保，韩布兴，刘志敏，胡安平，朱道本，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]