一种碳化硅纳米管及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于纳米材料制备技术领域，公开了一种碳化硅纳米管及其制备方法和应用。该方法包括以下步骤：(1)将碳纳米管分散到浓硝酸与浓硫酸的混酸中，超声处理，然后在室温下搅拌，离心，所得沉淀用水清洗后干燥即得预处理后的碳纳米管；(2)将硅粉与预处理后的碳纳米管研磨均匀，放入管式炉中升温反应，反应结束后将反应产物纯化即得目标产物碳化硅纳米管。本发明专利技术通过混酸处理碳纳米管，去除其中的金属杂质以及无定型碳，使得本发明专利技术按照V‑S反应机理生成碳化硅纳米管，SiC纳米管具有一维的导电网络结构，能够促进光生电子与空穴的分离，提高光电催化效率，SiC纳米管材料具有优良的光电催化性能。

A silicon carbide nanotube and its preparation method and Application

The invention belongs to the field of nanomaterial preparation technology, and discloses a silicon carbide nanotube, its preparation method and application. The method comprises the following steps: (1) dispersing carbon nanotubes into mixed acid of concentrated nitric acid and concentrated sulfuric acid, ultrasonic treatment, stirring at room temperature, centrifugation, and drying the precipitated carbon nanotubes after washing with water; (2) grinding the silicon powder and the treated carbon nanotubes evenly, putting them into a tubular furnace for heating reaction, and purifying the reaction products after reaction. The standard product is silicon carbide nanotubes. By mixing acid to treat carbon nanotubes, metal impurities and amorphous carbon are removed, and silicon carbide nanotubes are formed according to V_S reaction mechanism. SiC nanotubes have one-dimensional conducting network structure, which can promote the separation of photogenerated electrons and holes, improve photocatalytic efficiency, and SiC nanotube materials have excellent photocatalytic performance.

【技术实现步骤摘要】
一种碳化硅纳米管及其制备方法和应用
本专利技术属于纳米材料制备
，特别涉及一种碳化硅纳米管及其制备方法和应用。
技术介绍
立方相SiC是一种非常重要的非金属氧化物半导体，它的禁带宽约2.4eV，导带电位相对较负，高热导率，能够在可见光的照射下分解水制氢。而且，SiC的原料非常丰富，且对环境友好，这让它更具大规模应用的前景。然而，因为SiC容易发生自身光腐蚀以及本身较快的电子-空穴速率，SiC的光催化效率一直不高，关于SiC粉末光催化分解水的报道仍然很少。科学家提出了各种办法来提高SiC的光催化效率。其中一条有效的缓解途径是构造纳米结构的SiC晶体，包括量子点，纳米颗粒，纳米线，空心球等低维纳米结构(ChenJJ,etal.Nano-MicroLetters,2010,2(1):11-17；ChenJ,etal..JournalofAlloysandCompounds,2011,509(24):6844-6847；MunuveM,etal..ElectrochemistryCommunications,2013,37(1):1-4；HaoJ-Y,etal..CatalysisToday,2013,212(0):220-224.)。在这些不同形貌中，空心纳米结构具有低密度，高的面积与体积比，对液体与气体的高渗透性等优异特性，吸引了众多科学家的注意。因此，空心结构SiC能够用作很多苛刻环境下反应的高效催化剂载体或者本身用作为高效的催化剂。因此，本专利技术以碳纳米管作为模板与碳源，在氩气气氛下高温升华硅粉得到硅蒸气，硅蒸气与碳纳米管反应得到碳化硅纳米管，应用为光催化分解水制氢的催化剂还未见报道。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本专利技术的首要目的在于提供一种碳化硅纳米管的制备方法。本专利技术另一目的在于提供上述方法制备的碳化硅纳米管。本专利技术再一目的在于提供上述碳化硅纳米管作为光催化材料的应用。本专利技术的目的通过下述方案实现：一种碳化硅纳米管的制备方法，其主要包括以下步骤：(1)碳纳米管预处理：将碳纳米管分散到浓硝酸与浓硫酸的混酸中，超声处理，然后在室温下搅拌，离心，所得沉淀用水清洗后干燥即得预处理后的碳纳米管；(2)SiC纳米管材料制备(V-S反应机理)：将硅粉与预处理后的碳纳米管研磨均匀，放入管式炉中升温反应，反应结束后将反应产物纯化即得目标产物碳化硅纳米管。步骤(1)中所述的碳纳米管优选为多壁碳纳米管，外径60～100nm，长度5～15um。步骤(1)中所述的浓硝酸与浓硫酸的混酸是指体积比为3:1的浓硫酸和浓硝酸的混合物；其中浓硫酸的浓度为98wt％，浓硝酸的浓度为65～68wt％；步骤(1)中所述的碳纳米管和混酸的用量满足每1g的碳纳米管对应使用60～100mL的浓硝酸与浓硫酸的混酸，优选为每1g的碳纳米管对应使用80mL的浓硝酸与浓硫酸的混酸。步骤(1)中所述的超声处理是指在300W功率下超声处理1h；步骤(1)中所述的室温下搅拌是指在室温下搅拌5h；步骤(2)中所述的硅粉和预处理后的碳纳米管的用量满足硅和碳的摩尔比大于等于2；步骤(2)中所述的升温反应是指以3～5℃/min的速率升温至1300～1400℃反应4h，优选在1350℃反应4h；步骤(2)中所述的升温反应是指在氩气气氛保护下进行的，氩气气体的流量为50～250mL/min；步骤(2)中所述的纯化是指将所得反应产物自然冷却至室温后，取出，用氢氟酸/硝酸混酸浸泡2天，用氢氟酸/硝酸混酸浸泡可除去未反应的硅粉。优选的，步骤(2)中所述的氢氟酸/硝酸混酸是指体积比为1:5.2:10的40wt％的氢氟酸水溶液、68wt％的浓硝酸和水的混合溶液；本专利技术中所述的室温指25～30℃。一种由上述方法制备得到的碳化硅纳米管。上述方法制备得到的碳化硅纳米管作为光催化材料的应用，尤其是作为光催化催化分解水制氢中的应用。本专利技术的机理为：首先通过浓硫酸与浓硝酸超声处理碳纳米管，然后进行室温搅拌反应，这个过程是为了除去碳纳米管中的金属杂质以及无定型碳。浓硫酸与浓硝酸的体积比必须为3:1，浓硝酸比例过高则混酸的氧化性太强，破坏碳纳米管的结构稳定性，如果碳纳米管的结构稳定性差，那么在后续高温反应的时候碳纳米管就会坍塌，不能保持管状形貌，也就不能得到SiC纳米管。如果浓硝酸比例过低，那么碳纳米管中的金属杂质就不能完全除去，那么这些金属杂质将作为催化剂诱导SiC纳米线的形成，导致不能很好地形成SiC纳米管。同样的道理，如果超声仪功率过大，超声处理时间过长，常温搅拌反应的时间过长，这些都会引起碳纳米管的坍塌。通过以上的过程得到结构稳定的纯化的碳纳米管，与硅粉研磨均匀，在氩气气氛下，加热碳纳米管与硅粉的混合物到1300～1400℃，硅升华得到硅蒸气与碳纳米管表面的固体碳层反应生成SiC，最终将碳纳米管中的碳原位与硅蒸气反应完全，最终形成SiC纳米管。相比于块体SiC材料而言，SiC纳米管具有一维的导电网络结构，能够促进光生电子与空穴的分离，提高光电催化效率，SiC纳米管材料具有优良的光电催化性能。本专利技术相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：(1)本专利技术实现了SiC纳米管的可控合成。(2)本专利技术合成的SiC纳米管形貌独特，且光催化分解水制氢性能稳定。(3)本工艺简单可控，具有较好的可重复性。附图说明图1为实施例1中制备的SiC纳米管材料的SEM图；图2为实施例1中制备的SiC纳米管材料的XRD图；图3为实施例1中制备的SiC纳米管材料的光催化性能图；图4为对比例1中制备的SiC纳米管材料的SEM图；图5为对比例2中制备的SiC纳米管材料的SEM图；具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例中所用试剂如无特殊说明均可从市场常规购得。实施例中所述的碳纳米管为深圳纳米港公司生产的L-MWNT-60100多壁碳纳米管，外径60～100nm，长度5～15um，纯度＞97％，灰分≤3％。实施例中所述的室温指25～30℃；实施例1本实施例的一种SiC纳米管材料的制备方法，具体制备步骤如下：碳纳米管预处理：将2.0g碳纳米管分散到40ml浓硝酸(68wt％)与120ml浓硫酸(98wt％)的混酸中，300W功率下超声处理1小时，然后在室温下搅拌5小时，离心，用去离子水清洗3次，干燥备用。SiC纳米管材料制备(V-S反应机理)：将2.0g硅粉与0.4g处理后的碳纳米管研磨均匀，放入瓷舟中，将瓷舟放置在管式炉中，然后通氩气保护，保持氩气流速250ml/min,以3℃每分钟升温到1350℃，保温4小时，自然降温到室温，取出样品，用过量的氢氟酸/硝酸混酸(25毫升的氢氟酸(40wt％)+130毫升硝酸(68wt％)+250毫升水)浸泡2天。本实施例所得SiC纳米管材料的SEM图如图1所示，从图1中可以看出，SiC纳米管具有很好的管状形貌。本实施例所得SiC纳米管材料的XRD图如图2所示，SiC纳米管的XRD的测试特征峰为35.7°，41.3°，60.1°与71.9°，分别对应立方相SiC的(111)，(200)，(220)，(311)晶面。本实施例所得SiC纳米管材料的光催化性能如图3所示，为113.3umolh-1g-1(将15mg本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳化硅纳米管的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)碳纳米管预处理：将碳纳米管分散到浓硝酸与浓硫酸的混酸中，超声处理，然后在室温下搅拌，离心，所得沉淀用水清洗后干燥即得预处理后的碳纳米管；(2)SiC纳米管材料制备：将硅粉与预处理后的碳纳米管研磨均匀，放入管式炉中升温反应，反应结束后将反应产物纯化即得目标产物碳化硅纳米管。

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅纳米管的制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)碳纳米管预处理：将碳纳米管分散到浓硝酸与浓硫酸的混酸中，超声处理，然后在室温下搅拌，离心，所得沉淀用水清洗后干燥即得预处理后的碳纳米管；(2)SiC纳米管材料制备：将硅粉与预处理后的碳纳米管研磨均匀，放入管式炉中升温反应，反应结束后将反应产物纯化即得目标产物碳化硅纳米管。2.根据权利要求1所述的碳化硅纳米管的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的碳纳米管为多壁碳纳米管，外径60～100nm，长度5～15um。3.根据权利要求1所述的碳化硅纳米管的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的浓硝酸与浓硫酸的混酸是指体积比为3:1的浓硫酸和浓硝酸的混合物；其中浓硫酸的浓度为98wt％，浓硝酸的浓度为65～68wt％；步骤(1)中所述的碳纳米管和混酸的用量满足每1g的碳纳米管对应使用60～100mL的浓硝酸与浓硫酸的混酸。4.根据权利要求1所述的碳化硅纳米管的制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：方岳平，周训富，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44