用于碳纳米管纯化的纯化装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种用于碳纳米管纯化的纯化装置，其包括氧化池，阳离子交换柱和电源，所述氧化池的阴极仓与电源的负极相连接，在阴极仓内设有用于装载待纯化的碳纳米管的过滤层，在所述阴极仓内还设有与电源正极相连接的阳电极；氧化池与阳离子交换柱之间通过循环泵进行连通循环；阴极仓体内和整个循环管路中都注有电解液。纯化方法包括以下步骤：⑴.将碳纳米管粉体填充入阴极仓，加入电解液；通电进行氧化处理；⑵.将电解液由氧化池泵入阳离子交换柱滤除阳离子，再流回氧化池；边氧化边进行阳离子交换。该方法采用阳极氧化与离子交换同步进行的方式对碳纳米管粉体进行纯化，成本低、效率高、工艺简单、纯化彻底，适宜进行批量化生产。

Purification device and method for purification of carbon nanotubes

The invention provides a device for purifying and purification of carbon nanotubes, including oxidation pool, cation exchange column and anode cathode power supply, the warehouse oxidation tank with power is connected in the cathode bin is provided with a filter layer to be used for loading the purified carbon nanotubes, in the cathode chamber is also arranged in the sun the electrode is connected with the positive pole of power supply; column communicated between the circulation pump cycle through the oxidation and cation exchange; cathode and the circulating pipeline in the bin body is marked with the electrolyte. The purification method comprises the following steps: 1. The carbon nanotube powder filled into the cathode chamber, adding electrolyte; electric oxidation treatment; 2. The electrolyte by oxidation pond pump into the cation exchange column filter cation, then back to side edge oxidation oxidation pool; cation exchange. In this method, the carbon nanotube powder was purified by the method of anodic oxidation and ion exchange, which has the advantages of low cost, high efficiency, simple process and complete purification.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米材料制备
，涉及碳纳米管的纯化装置及其方法，尤其是涉及一种碳纳米管粉体的简易高效纯化方法。
技术介绍
碳纳米管由于具有独特的结构特性、奇异的理化性能和在未来高科技领域潜在的应用价值而备受人们关注，目前已成为物理、化学、生物、材料等领域的研究前沿和热点，在纳米电子器械、催化剂载体、电化学材料、复合材料等诸多领域都有广阔的应用前景。现有的制备碳纳米管的方法主要有电弧放电法、激光刻蚀法、化学气相沉积法、固相热解法、火焰合成法、辉光放电法和聚合反应合成法等。在诸多的碳纳米管制备工艺中，除有些直流电弧法无需催化剂外，其他方法均需要有催化剂的参与。催化剂大多选用铁、钴、镍、锰等过渡金属及其氧化物。伴随碳纳米管的生长，金属活性组分会被碳层包覆而导致催化剂失活，因而得到的碳纳米管粗品中不可避免的残留有金属催化剂，这些金属杂质的存在会直接影响碳纳米管的性能，从而在很大程度上制约碳纳米管在诸多领域的应用。因此，为了获得高纯碳纳米管，必须对碳纳米管粗品进行纯化。从碳纳米管中去除金属杂质的工艺称为纯化。目前除去碳纳米管中的金属催化剂大多采用化学方法，根据催化剂粒子自身的性质，用气体、酸、盐等化学试剂与之反应，生成易挥发或者可溶性的物质，达到分离提纯的效果。清华大学王垚等(CN1436722A)利用真空高温操作，有效去除混杂于碳纳米管中的过渡金属催化剂及金属氧化物载体，特别是被碳层包覆的过渡金属催化剂，纯化后碳纳米管纯度可达99.9％以上。但该法需要高真空(炉内压力低于20Pa)、反应时间长、能耗高、不能连续化运行。中科院金属研究所成会明等(CN101130431A)对原始多壁碳纳米管/碳纳米纤维进行高温石墨化处理(1800-3000℃)去除金属催化剂等高温易挥发杂质，并消除多壁碳纳米管中的缺陷，随后利用分散剂溶液超声将不同碳结构的石墨化碳纳米管/纳米碳纤维样品进行均匀分散，使不同碳结构形成离散相，最后过滤除去样品中离散的碳纳米颗粒而得到高纯度碳纳米管/纳米碳纤维样品。该法需要高温石墨化，能耗高，同时还需要溶剂、分散剂等，后续处理复杂。日本索尼株式会社梶浦尚志等(CN10746745A)采用加入能与金属催化剂络合的化学物质，如氨基多羧酸等形成络合物，再通过离心等手段去除络合物达到提纯的效果，该法不会对碳纳米管造成破坏，但工艺复杂，络合剂成本较高，不适合大规模生产。为了解决现有技术存在的上述问题，本专利技术由此而来。
技术实现思路
针对上述现有技术碳纳米管纯化方面存在的不足，本专利技术目的在于提供一种简易高效的纯化碳纳米管的方法，同时还提供了相应的纯化装置。本专利技术第一方面提供了用于碳纳米管纯化的纯化装置，其包括氧化池，阳离子交换柱和电源，所述氧化池包括阴极仓，过滤层，阳极电极；所述氧化池的阴极仓与电源的负极相连接，在阴极仓内设有用于装载待纯化的碳纳米管的过滤层，在所述阴极仓内还设有与电源正极相连接的阳电极；氧化池与阳离子交换柱之间通过循环泵进行连通循环；阴极仓体内和整个循环管路中都注有电解液。优选的一技术方案中，所述过滤层为液体过滤袋，所述液体过滤袋的材质选用聚丙烯尼龙。优选的一技术方案中，阳离子交换柱内为强酸型阳离子交换树脂，优选大孔型树脂。优选的一技术方案中，所述氧化池的电压范围为0.5-20V、电流范围0.01-2A、氧化时间0.5-12h。优选的一技术方案中，氧化池与阳离子交换柱之间通过循环泵进行连通循环，具体而言，就是氧化池的顶端和阳离子交换柱一端通过第一管路连接，氧化池的底端和阳离子交换柱另一端通过第二管路连接。在所述第一、第二管路上分别设有三通阀，在第二管路上设有循环泵。所述循环泵可为容积式泵、叶轮式泵、喷射式泵等中的一种，可选立式泵也可选卧式泵。三通阀用于补充电解质和/或后期注入去离子水。优选的一技术方案中，所述阴极仓为柱形结构，所述阳极电极为设置在阴极仓内的柱形阳电极。优选的一技术方案中，所述阴极仓、阳极电极选用石墨材质或其他惰性金属，优选石墨材质。优选的一技术方案中，所述电解液为酸溶液，选自磷酸、硫酸、硝酸、盐酸、甲酸、乙酸、苯磺酸等中的一种或几种的混合。优选的一技术方案中，所述过滤层为液体过滤袋，且带有PP或PE塑胶环扣，过滤精度小于5微米。本专利技术的第二方面提供了一种纯化碳纳米管的方法，其包括如下步骤：(1)将待纯化的碳纳米管粉体填充入纯化装置的阴极仓内，连接好纯化装置的其他部分，加入电解液，将电解液充满整个回路；(2)接通电源，开启循环泵，通电进行氧化处理；将电解液由氧化池通过第一管路泵入阳离子交换柱滤除阳离子，通过第二管路再流回到氧化池，这样一边氧化一边进行阳离子交换；(3)检测第一管路中电解液的金属离子，当检测不到金属离子时，断开氧化池电源；(4)打开氧化池，倒出碳纳米管，烘干即可。优选的一技术方案中，在所述的步骤(4)之前，包括步骤(3’)：从第二管路的阀口向氧化池内注入去离子水，去离子水经由第一管路的阀口流出，直至检测第一管路的阀口流出液pH近中性时停止。本专利技术提供一种碳纳米管的纯化装置及纯化方法，其特征在于纯化过程如下：S1.构建纯化装置：所述纯化装置包括由阴极仓/过滤层/阳极电极构成的氧化池和阳离子交换柱；氧化池与阳离子交换柱通过电解液循环泵连通；S2.将碳纳米管粉体填充入阴极仓，连接好装置其余各部分，将电解液充满整个回路，接通电源，开启循环泵，边氧化边进行离子交换；S3.不定时将装置所示三通阀b打开，接取少量电解液检测其中的金属离子，待检测不到金属离子时断开氧化池电源；S4.旋转三通阀a、b，从三通阀a阀口向氧化池内注入去离子水，经由三通阀b阀口流出，直至三通阀b出口流出液PH近中性；S5.断开电源，打开氧化池，取出过滤袋，倒出碳纳米管，烘干即可。本专利技术工艺采取了电化学氧化与离子交换相结合的方法对碳纳米管进行纯化，具有操作简单易控、成本低、纯化高效彻底、易于批量化生产等特点；所制备的碳纳米管纯度可达99.99％。一般的碳纳米管纯化，只能除去暴露在碳纳米管外面的金属杂质，而碳纳米管中金属杂质主要集中在端口及空腔内部。本专利技术的方法有效去除封闭在碳纳米管端口及空腔内部的金属杂质，纯化效果显著。与一般的纯化碳纳米管的方法不同，本专利技术采用边氧化边进行离子交换的方式对碳纳米管粉体进行纯化，在电流的作用下，通过阳电极上发生的氧化反应使碳纳米管内部的催化剂发生诸如：Fe-2e-＝＝Fe2+的反应，反应生成的金属阳离子迅速溶解到电解液中，并随着电解液的循环进入离子交换装置，置换出离子交换树脂中的H+，从而既保证了电解液的浓度又进一步加快了催化剂的氧化溶解，与常规的酸煮或酸浸泡的方法相比，除催化剂既快速又彻底。本专利技术优点是：1.本专利技术采用电化学氧化与离子交换同步进行的方式对碳纳米管粉体进行纯化，在电流的作用下碳纳米管内、外部的催化剂被氧化成金属阳离子并快速的溶解到酸介质中，然后随着电解液的循环金属阳离子进入离子交换柱，与离子交换树脂中的H+发生离子交换，金属催化剂得以去除，同时进一步促进催化剂的氧化溶解，解决了常规酸煮或酸浸泡除碳纳米管内部催化剂不彻底的问题。2.本专利技术所有工艺均在室温下操作，工艺简捷、时间短、操作简单易控、成本低、效率高、纯化彻底，适宜进行批量化生产。附图说本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于碳纳米管纯化的纯化装置，其包括氧化池，阳离子交换柱和电源，所述氧化池包括阴极仓，过滤层，阳极电极；所述氧化池的阴极仓与电源的负极相连接，在阴极仓内设有用于装载待纯化的碳纳米管的过滤层，在所述阴极仓内还设有与电源正极相连接的阳电极；氧化池与阳离子交换柱之间通过循环泵进行连通循环；阴极仓体内和整个循环管路中都注有电解液。

【技术特征摘要】
1.用于碳纳米管纯化的纯化装置，其包括氧化池，阳离子交换柱和电源，所述氧化池包括阴极仓，过滤层，阳极电极；所述氧化池的阴极仓与电源的负极相连接，在阴极仓内设有用于装载待纯化的碳纳米管的过滤层，在所述阴极仓内还设有与电源正极相连接的阳电极；氧化池与阳离子交换柱之间通过循环泵进行连通循环；阴极仓体内和整个循环管路中都注有电解液。2.根据权利要求1所述的纯化装置，其特征在于，所述过滤层为液体过滤袋，所述液体过滤袋的材质选用聚丙烯尼龙。3.根据权利要求1所述的纯化装置，其特征在于，阳离子交换柱内为强酸型阳离子交换树脂。4.根据权利要求1所述的纯化装置，其特征在于，所述氧化池的电压范围为0.5-20V、电流范围0.01-2A、氧化时间0.5-12h。5.根据权利要求1所述的纯化装置，其特征在于，氧化池的顶端和阳离子交换柱一端通过第一管路连接，氧化池的底端和阳离子交换柱另一端通过第二管路连接，在所述第一、第二管路上分别设有三通阀。6.根据权利要求5所述的纯化装置，其特征在于，在第二管路上设有循环泵...

【专利技术属性】
技术研发人员：王金娥，高玉忠，董明，
申请(专利权)人：苏州工业园区恒量咨询有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32