一种多壁碳纳米管及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于材料合成技术领域，具体涉及一种多壁碳纳米管及其制备方法和应用。该制备方法包括以下步骤：1)制备NCSiAgMg‑Al2O3催化剂和有机酸混合溶液；2)向步骤1)得到的NCSiAgMg‑Al2O3催化剂和有机酸混合溶液加入碳源，经催化反应，得到含碳纳米管的反应混合物；3)将步骤2)得到的含碳纳米管的反应混合物先经过盐酸处理，再分离、纯化和真空加热干燥，得到多壁碳纳米管。本发明专利技术所提供的技术方案实现了室温液相法制备多壁碳纳米管，制备的多壁碳纳米管可用作锂离子电池负极活性材料或负极添加剂、催化剂、新型材料等相关领域。

A multi wall carbon nanotube and its preparation and Application

The invention belongs to the field of material synthesis technology, in particular to a multi wall carbon nanotube and a preparation method and application of the multi wall carbon nanotube. The preparation method comprises the following steps: 1) the preparation of NCSiAgMg Al2O3 catalyst and organic acid mixed solution; 2) to step 1) obtained NCSiAgMg Al2O3 catalyst and organic acid mixed solution by adding carbon source, catalytic reaction, reaction mixtures containing carbon nanotubes; 3) step 2) obtained containing carbon nanotubes reaction mixture after hydrochloric acid treatment, then the separation, purification and vacuum drying, to obtain multi wall carbon nanotubes. The technical proposal provided by the invention realizes the preparation of multi walled carbon nanotubes at room temperature by liquid phase method, and the prepared multi wall carbon nanotubes can be used as anode active materials, negative electrode additives, catalysts and new materials for lithium ion batteries.

【技术实现步骤摘要】
一种多壁碳纳米管及其制备方法和应用
本专利技术属于材料合成
，具体涉及一种多壁碳纳米管及其制备方法和应用。
技术介绍
目前合成碳纳米管较为成熟技术主要“化学气相沉积法”、“激光蒸发法”、“激光溅射法”、“火焰合成法”、“催化裂解法”、“电弧放电法”、“电化学合成法”等等。众所周知，碳纳米管的合成除了所谓的方法、原理不同外，最核心的因素之一就是催化剂，同样的原理而催化剂不同，则合成的碳纳米管的效率、特性大不相同，催化剂是合成碳纳米管的最关键因素之一。通常合成碳纳米管的催化剂通常都是负载贵金属、稀有金属或者金属氧化物的二氧化硅、二元金属三元金属氧化物复合催化剂材料，体系繁多。常见的合成碳纳米管催化剂有NiO-SiO2体系、MnO-SiO2体系、Fe-Mo-Al2O3、Co-Mo-Al2O3体系、Ni-Co-二茂铁、二茂铁-二甲亚砜、二茂铁催化剂、W-Fe-MgO、W-Co-MgO、Mo-Fe-MgO、Mo-Co-MgO、CeO2-Ni-MgO、、二元金属氧化物系如Ni0.5Mg1.5O、MgO-Fe基、AByOz(其中A＝W，B＝V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Rh、Ru、Pd、Pt、Au、Ag、Re、Os、Ir，)、Cu-Cr-O、Ho-Ni以及Gd-Ni2合金、Er-Ni、Y-Ni催化剂等。这些催化剂的合成一般采用固相法合成或者液相-固相合成相结合的技术合成，相对技术难度较大。到目前为止，适用于合成碳纳米管合成、单纯的非金属催化剂、或者较为简单低成本的液相合成技术的文献及专利技术专利尚不多见或被公开，较低温度条件下或者室温条件下，合成碳纳米管的相关文献或者专利技术专利也不多见。如文献报道的“低于室温条件下碳纳米管的合成(Synthesisofcarbonnanotubesbelowroomtemperature)”合成技术是在230～236K条件下的用电化学方法合成碳纳米管；此外，文献公开了“一种水热法制备碳纳米管或棒的方法”，其公开的技术是在硫酸或磷酸溶液中，100～240℃条件下水热制备碳纳米管或棒，且难易实现高效、规模化工业生产。综合现有合成碳纳米管的技术都有显著的缺陷，第一，设备要求高，无论是化学气相沉积法、激光合成技术还是电弧合成技术，都对合成碳纳米管的设备要求极高，而且条件控制严格；第二，技术参数控制严格，如化学气相沉积法严格控制反应体系的真空度、反应温度、气氛氧含量等；第三，反应时间长、能耗高、生产成本高；如水热法能耗高，反应时间长；第四，合成碳纳米管选择性差，单壁多壁或者或纳米棒等、纳米管管径或长度等不宜于控制。如水热法合成可能合成碳纳米管和纳米棒混合物；第五，能耗、技术条件缺陷，使得现有技术都较难以实现高效、规模化工业生产。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种多壁碳纳米管及其制备方法和应用。本专利技术以碳包覆硼掺杂二氧化硅纳米材料(NCSiAgMg-Al2O3材料)为催化剂，室温液相法制备多壁碳纳米管，制备的多壁碳纳米管可用作锂离子电池负极活性材料或负极添加剂、催化剂、新型材料等相关领域。本专利技术所提供的技术方案如下：一种多壁碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：1)制备NCSiAgMg-Al2O3催化剂和有机酸混合溶液；2)向步骤1)得到的NCSiAgMg-Al2O3催化剂和有机酸混合溶液加入碳源，经催化反应，得到含碳纳米管的反应混合物；3)将步骤2)得到的含碳纳米管的反应混合物先经过盐酸处理，再分离、纯化和真空加热干燥，得到多壁碳纳米管；其中：所述的有机酸选自乙酸、丙酸、正丁酸、正戊酸或正己酸中的任意一种；所述的碳源选自葡萄糖、蔗糖、麦芽糖或可溶性淀粉中的任意一种；NCSiAgMg-Al2O3催化剂包括Ag-Mg掺杂Al2O3纳米材料的内核以及包覆在所述内核表面的氮化石墨掺杂纳米SiO2的包覆层，所述内核中，按照原子比计，Ag:Mg:Al为3.5～15:1～20:100；所述包覆层中，按照原子比计，氮碳与硅的原子比为1.3～4.6:13～60：100；所述内核与所述包覆层中，按照原子比计，Al:Si约为4.3～15:100。上述技术方案所提供的多壁碳纳米管的制备方法可以实现常温条件下的多壁碳纳米的液相合成。上述技术方案中，步骤3)采用盐酸处理，一方面可以不加热的情况下达到类似水热反应的效果，另一方面利于提高处理效果，使得碳纳米管和催化剂容易分层、分离，且后续水洗效果好。而如果直接水洗，分层及水洗涤效果不好。具体的，NCSiAgMg-Al2O3催化剂可通过以下方法制备得到：1)在搅拌条件下，向Al离子浓度为0.5～2.5mol/L的铝盐、浓度为0.05～0.15mol/L的硝酸银溶液和镁离子浓度为0.015～0.35mol/L的镁盐的混合溶液中，滴加浓度为0.1～2.5mol/L的碱溶液，控制反应体系的pH值为8.5～11.5，反应10～30分钟，得到灰色或灰黑色Ag-Mg掺杂氢氧化铝溶胶，在85～105℃条件下干燥3～9小时，研磨，用蒸馏水洗至洗出液pH＝为6.8～7.2，干燥，得到灰白色或灰色Ag-Mg掺杂氢氧化铝凝胶，在350～650℃焙烧4～12小时，即得到灰白色或灰色Ag-Mg掺杂Al2O3纳米粉末；2)将30～150g的A步骤得到的Ag-Mg掺杂Al2O3纳米粉末与含有质量相当于步骤1)得到的Ag-Mg掺杂Al2O3纳米粉末的质量1～5％的有机化合物溶液和含有质量相当于步骤1)的Ag-Mg掺杂Al2O3纳米粉末质量5～18％的硅酸盐溶液混合，搅拌，向混合物中加入浓度为0.1～1.0mol/L酸溶液至pH为3.5～5.5，得到有机物惨杂的硅酸溶胶包裹的Ag-Mg掺杂Al2O3纳米粉末，在85～105℃条件下干燥3～9小时，即得到有机物惨杂的硅酸凝胶包裹的Ag-Mg掺杂Al2O3纳米粉末，用蒸馏水洗涤至洗出液pH＝为6.8～7.2，干燥，氮气气氛下350～650℃焙烧4～12小时，即得到氮化石墨掺杂纳米SiO2包覆Ag-Mg掺杂Al2O3纳米材料。优选的，多壁碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：1)在室温条件下，向100～500mL、质量浓度为25～65％的有机酸溶液中加入5～20gNCSiAgMg-Al2O3催化剂，搅拌10～50分钟，得到催化剂和有机酸混合溶液；2)将5～50g碳源固体粉末加入到步骤1)所得的催化剂和有机酸混合溶液中，搅拌、反应15～55分钟，得到含碳纳米管的反应混合物；3)将步骤2)得到的反应混合物加入到500～2000mL质量浓度为5～30％的盐酸溶液中，搅拌10～50分钟，静置10～50分钟，将上层悬浊液过滤得到黑色物质，将过滤所得到的黑色物质用去离子水洗涤至无氯离子检出，55～85℃真空干燥30～90分钟，即得到多壁碳纳米管。本专利技术还提供了根据上述方法制备得到的多壁碳纳米管。本专利技术所提供的多壁碳纳米管可作为锂离子电池负极活性材料或锂离子电池负极添加剂。具体的，多壁碳纳米管的管径分布范围为25～80nm；构成多壁碳纳米管的单壁碳纳米管管长为0.25～3.0μm。本专利技术还提供了本专利技术所提供的多壁碳纳米管的应用，作为锂离子电池负极活性材料或锂离子电池负极添加剂。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：1、本专利技术采用了NCS本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多壁碳纳米管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)制备NCSiAgMg‑Al2O3催化剂和有机酸的混合溶液；2)向步骤1)得到的NCSiAgMg‑Al2O3催化剂和有机酸混合溶液加入碳源，经催化反应，得到含碳纳米管的反应混合物；3)将步骤2)得到的含碳纳米管的反应混合物先经过盐酸处理，再分离、纯化和真空加热干燥，得到多壁碳纳米管；其中：所述的有机酸选自乙酸、丙酸、正丁酸、正戊酸或正己酸中的任意一种；所述的碳源选自葡萄糖、蔗糖、麦芽糖或可溶性淀粉中的任意一种；所述的NCSiAgMg‑Al2O3催化剂包括Ag‑Mg掺杂Al2O3纳米材料的内核以及包覆在所述内核表面的氮化石墨掺杂纳米SiO2的包覆层，所述内核中，按照原子比计，Ag:Mg:Al为3.5～15:1～20:100；所述包覆层中，按照原子比计，N：C：Si为1.3～4.6:13～60：100；所述内核与所述包覆层中，按照原子比计，Al:Si约为4.3～15:100。

【技术特征摘要】
1.一种多壁碳纳米管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)制备NCSiAgMg-Al2O3催化剂和有机酸的混合溶液；2)向步骤1)得到的NCSiAgMg-Al2O3催化剂和有机酸混合溶液加入碳源，经催化反应，得到含碳纳米管的反应混合物；3)将步骤2)得到的含碳纳米管的反应混合物先经过盐酸处理，再分离、纯化和真空加热干燥，得到多壁碳纳米管；其中：所述的有机酸选自乙酸、丙酸、正丁酸、正戊酸或正己酸中的任意一种；所述的碳源选自葡萄糖、蔗糖、麦芽糖或可溶性淀粉中的任意一种；所述的NCSiAgMg-Al2O3催化剂包括Ag-Mg掺杂Al2O3纳米材料的内核以及包覆在所述内核表面的氮化石墨掺杂纳米SiO2的包覆层，所述内核中，按照原子比计，Ag:Mg:Al为3.5～15:1～20:100；所述包覆层中，按照原子比计，N：C：Si为1.3～4.6:13～60：100；所述内核与所述包覆层中，按照原子比计，Al:Si约为4.3～15:100。2.根据权利要求1所述的多壁碳纳米管的制备方法，其特征在于：步骤1)中，NCSiAgMg-Al2O3催化剂与有机酸的质量比为25～325：5～20；反应时间10～50分钟。3.根据权利要求1所述的多壁碳纳米管的制备方法，其特征在于：步骤2)中，碳源与步骤1)中加入的NCSiAgMg-Al2O3催化剂的质量比为5～50：5～2...

【专利技术属性】
技术研发人员：周环波，黄光艳，詹伟东，梁娟，聂航，邓帮君，赵双琪，李必慧，杨海平，贺峥嵘，
申请(专利权)人：湖北工程学院，
类型：发明
国别省市：湖北,42