一种快速选择性填充纳米粒子至碳纳米管管腔内的方法技术

本发明专利技术涉及碳纳米管复合结构领域，具体为一种电场力驱动的快速选择性填充纳米粒子至碳纳米管中空管腔内的方法。将沉积有薄层碳的阳极氧化铝片组装至电解槽装置上，在电解池注入需填充元素的电解质溶液并插入电极，于两电极间施加直流电压使电解液迅速填充至碳层包覆的阳极氧化铝纳米孔道内，取出阳极氧化铝片、热处理、最后去除阳极氧化铝片模板，即获得纳米粒子填充的碳纳米管复合结构。纳米粒子选择性填充于两端开口的碳纳米管管腔内、分布均匀。该方法填充过程快速，只需0.5秒至5分钟时间；填充量精确可控，含量最高可填满碳纳米管管腔。有效解决目前在碳纳米管内填充纳米粒子的工艺复杂、耗时长、大量填充困难等问题。

A Fast and Selective Filling Method for Nanoparticles into Carbon Nanotube Cavity

The invention relates to the field of carbon nanotubes composite structure, in particular to a method for rapidly and selectively filling nanoparticles into the hollow tube cavity of carbon nanotubes driven by electric field force. The anodic alumina sheet deposited with thin layer carbon is assembled on the electrolytic cell device. The electrolyte solution of filling elements is injected into the electrolytic cell and inserted into the electrode. The direct current voltage is applied between the two electrodes to fill the electrolyte rapidly into the carbon-coated anodic alumina nanochannels. The anodic alumina sheet is taken out, heat treated and finally the template of the anodic alumina sheet is removed, i.e. nanoparticles are obtained. Composite structure of filled carbon nanotubes. The nanoparticles are selectively filled in the open CNTs with uniform distribution. The filling process of this method is fast, and only takes 0.5 seconds to 5 minutes. The filling quantity is precisely controlled and the highest content can be filled into the cavity of carbon nanotubes. It can effectively solve the problems of complex process, time-consuming and difficult filling of nanoparticles in carbon nanotubes.

【技术实现步骤摘要】
一种快速选择性填充纳米粒子至碳纳米管管腔内的方法
本专利技术涉及碳纳米管复合结构领域，具体为一种电场力驱动的快速选择性填充纳米粒子至碳纳米管中空管腔内的方法。
技术介绍
碳纳米管的中空管腔是典型的一维限域空间，由于碳纳米管自身特殊的电子结构和限域效应，使得碳纳米管内部物质在结晶性、磁性、电学性能、化学催化活性等方面明显异于宏观材料。碳纳米管与其内部纳米粒子复合而成的新型纳米结构兼具两种单一材料各自的优势，具有大的比表面积、丰富的孔结构、良好的结构稳定性，表现出优异的传导性能、电化学催化活性等，极有潜力作为催化材料或电极材料等获得应用，可控制备出纳米粒子填充的碳纳米管复合结构是相关基础和应用研究的基础。目前，在碳纳米管内部填充纳米粒子的主要方法有物理吸附法(文献，KumikoAjima,MasakoYudasaka,TatsuyaMurakami,AlanMaigne,KiyotakaShiba,SumioIijima,MolecularPharmaceutics.2(6):475-480(2005))、湿(溶液)法(文献，HongkunZhang,HuaiheSong,XiaohongChen,JishengZhou,J.Phys.Chem.C(116):22774-22779(2012))、气相填充法(文献，NarunThamavaranukup,HenningA.LuisaRuiz-Gonzalez,PedroM.F.J.Costa,JeremySloan,AngusKirkland,MalcolmL.H.Green,Chemi.Commun.(15):1686-1687(2004))、纳米液悬浮直接填充法(文献，GuzeliyaKorneva,HaihuiYe,YuryGogotsi,DerekHalverson,GaryFriedman,Jean-ClaudeBradley,KonstantinG.Kornev,Nano.Lett.5(5):879-884(2005))、化学气相沉积法(文献，WeiqiangHan,ShoushanFan,QunqingLi,YongdanHu,Science.277(5330)1287-1289(1997))等。每种方法都有其适用的范围，但也都存在一定问题，例如：难以将纳米粒子100％选择性填充至碳纳米管管腔内，填充过程耗时长、填充效率不高、填充过程不可控、填充物种类单一等。大部分工作需将纳米碳管在氧化性酸溶液中进行切断和开口(文献1，PanXL,FanZL,ChengW,DingYJ,LuoHY,BaoXH.NatureMaterials6:507(2007)；文献2，ZhangJ,MullerJO,ZhengWQ,WangD,SuDS,SchloglR.NanoLetters8:2738(2008))，且获得复合材料的均一性较差。另外，专利技术人前期以沉积有碳层的阳极氧化铝为模板，分别采用化学气相沉积法和液相浸渍法将硅颗粒、氧化铁等纳米颗粒选择性填充到碳纳米管中空管腔内(中国专利技术专利申请1，侯鹏翔，喻万景，李世胜，刘畅，成会明，氧化铁颗粒选择性填充在纳米碳管中空管腔内的方法，专利号ZL200810229969.0；中国专利技术专利申请2，刘畅，喻万景，侯鹏翔，成会明，一种纳米硅颗粒填充碳纳米管复合物及其制备方法和应用，专利号ZL201210566788.3)；这两种方法仍存在填充过程复杂、填充时间长、填充物种类受限，难以获得高填充率(最大填充率为重量比70％)等不足。目前亟需解决的关键问题是：如何发展一种经济、快速、有效的填充方法，实现在碳纳米管内纳米粒子种类和填充量不受限的可控填充。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种电场力驱动的快速选择性填充纳米粒子至碳纳米管中空管腔内的方法，解决目前填充工艺复杂，填充过程耗时、可控性差、大量填充困难等问题。本专利技术的技术方案是：一种快速选择性填充纳米粒子至碳纳米管管腔内的方法，将沉积有薄层碳的阳极氧化铝片组装至电解槽装置上，电解槽装置的电解槽主体通过组合体分隔成两个独立电解池，在每个电解池内分别插入电极，在电解池注入需填充元素的电解质溶液，于两电极间施加1～50V直流电压，填充纳米粒子0.5秒至5分钟，取下阳极氧化铝片并进行热处理后，去除阳极氧化铝片，获得纳米粒子填充的碳纳米管复合结构；其中，阳极氧化铝片具有孔径为20～100nm的贯通纳米孔道。所述的快速选择性填充纳米粒子至碳纳米管管腔内的方法，电解槽装置包括电解槽主体和组合体，电解槽主体设置电极Ⅰ、电极Ⅱ、密封橡胶条Ⅰ、密封橡胶条Ⅱ，组合体设置有机玻璃片Ⅰ、橡胶密封垫Ⅰ、橡胶密封垫Ⅱ、有机玻璃片Ⅱ、阳极氧化铝片，具体结构如下：组合体自上而下插入电解槽主体的凹槽，电解槽主体被有机玻璃片Ⅰ、橡胶密封垫Ⅰ、阳极氧化铝片、橡胶密封垫Ⅱ、有机玻璃片Ⅱ的组合体分隔成两电解池：电解池Ⅰ、电解池Ⅱ，组合体与电解池Ⅰ配合处设置密封橡胶条Ⅰ，组合体与电解池Ⅱ配合处设置密封橡胶条Ⅱ，电解池Ⅰ中插装电极Ⅰ，电解池Ⅱ中插装电极Ⅱ；组装后，形成纳米颗粒的填充装置；碳层包覆的阳极氧化铝片夹在中心开孔的橡胶密封垫Ⅰ、橡胶密封垫Ⅱ中间，碳层包覆的阳极氧化铝片与橡胶密封垫Ⅰ、橡胶密封垫Ⅱ中心开孔的形状、大小相同，碳层包覆的阳极氧化铝片完全覆盖橡胶密封垫Ⅰ、橡胶密封垫Ⅱ的中心开孔，有机玻璃片Ⅰ、有机玻璃片Ⅱ夹持在橡胶密封垫Ⅰ、橡胶密封垫Ⅱ外侧，有机玻璃片Ⅱ与橡胶密封垫Ⅱ对应的一侧对称设置固定销，橡胶密封垫Ⅰ、橡胶密封垫Ⅱ和有机玻璃片Ⅰ上开设与固定销对应的装配孔，有机玻璃片Ⅰ、橡胶密封垫Ⅰ、橡胶密封垫Ⅱ、有机玻璃片Ⅱ通过固定销和装配孔配合，形成组合体。所述的快速选择性填充纳米粒子至碳纳米管管腔内的方法，两个电极：电极Ⅰ、电极Ⅱ为惰性电极，在通电时，电极起导电作用，而不与电解液发生反应。所述的快速选择性填充纳米粒子至碳纳米管管腔内的方法，两个电解池内采用同种或异种电解质溶液，当两个电解池内盛放不同种电解质溶液时，根据需要选择两种电解液及电场方向，实现纳米粒子在碳纳米管中空管腔内直接快速合成。所述的快速选择性填充纳米粒子至碳纳米管管腔内的方法，碳层包覆的阳极氧化铝片采用具有相似结构的其他片状、通孔材料代替，实现纳米粒子在各种纳米管或多孔材料纳米孔道内的快速填充。所述的快速选择性填充纳米粒子至碳纳米管管腔内的方法，热处理条件根据所需颗粒结构而定，气氛为空气、氩气、氮气、氢气中的一种或两种以上混合气，温度为50～1000℃。所述的快速选择性填充纳米粒子至碳纳米管管腔内的方法，碳纳米管内的纳米粒子含量由电解质溶液的浓度、施加电压时间精确调控，纳米粒子含量在0.5～95wt％范围内精确可控。所述的快速选择性填充纳米粒子至碳纳米管管腔内的方法，纳米粒子随其含量变化呈现不同形貌，含量较低时以颗粒形式存在，含量较高时填满碳纳米管的管腔形成纳米棒。所述的快速选择性填充纳米粒子至碳纳米管管腔内的方法，纳米粒子含量在75wt％以下时，以颗粒形式存在。所述的快速选择性填充纳米粒子至碳纳米管管腔内的方法，由于阳极氧化铝对碳纳米管外壁的物理隔离作用，纳米粒子100％填充在碳纳米管的中空管腔内。本专利技术的设计思想是：为了实现纳米颗粒在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种快速选择性填充纳米粒子至碳纳米管管腔内的方法，其特征在于，将沉积有薄层碳的阳极氧化铝片组装至电解槽装置上，电解槽装置的电解槽主体通过组合体分隔成两个独立电解池，在每个电解池内分别插入电极，在电解池注入需填充元素的电解质溶液，于两电极间施加1～50V直流电压，填充纳米粒子0.5秒至5分钟，取下阳极氧化铝片并进行热处理后，去除阳极氧化铝片，获得纳米粒子填充的碳纳米管复合结构；其中，阳极氧化铝片具有孔径为20～100nm的贯通纳米孔道。

【技术特征摘要】
1.一种快速选择性填充纳米粒子至碳纳米管管腔内的方法，其特征在于，将沉积有薄层碳的阳极氧化铝片组装至电解槽装置上，电解槽装置的电解槽主体通过组合体分隔成两个独立电解池，在每个电解池内分别插入电极，在电解池注入需填充元素的电解质溶液，于两电极间施加1～50V直流电压，填充纳米粒子0.5秒至5分钟，取下阳极氧化铝片并进行热处理后，去除阳极氧化铝片，获得纳米粒子填充的碳纳米管复合结构；其中，阳极氧化铝片具有孔径为20～100nm的贯通纳米孔道。2.按照权利要求1所述的快速选择性填充纳米粒子至碳纳米管管腔内的方法，其特征在于，电解槽装置包括电解槽主体和组合体，电解槽主体设置电极Ⅰ、电极Ⅱ、密封橡胶条Ⅰ、密封橡胶条Ⅱ，组合体设置有机玻璃片Ⅰ、橡胶密封垫Ⅰ、橡胶密封垫Ⅱ、有机玻璃片Ⅱ、阳极氧化铝片，具体结构如下：组合体自上而下插入电解槽主体的凹槽，电解槽主体被有机玻璃片Ⅰ、橡胶密封垫Ⅰ、阳极氧化铝片、橡胶密封垫Ⅱ、有机玻璃片Ⅱ的组合体分隔成两电解池：电解池Ⅰ、电解池Ⅱ，组合体与电解池Ⅰ配合处设置密封橡胶条Ⅰ，组合体与电解池Ⅱ配合处设置密封橡胶条Ⅱ，电解池Ⅰ中插装电极Ⅰ，电解池Ⅱ中插装电极Ⅱ；组装后，形成纳米颗粒的填充装置；碳层包覆的阳极氧化铝片夹在中心开孔的橡胶密封垫Ⅰ、橡胶密封垫Ⅱ中间，碳层包覆的阳极氧化铝片与橡胶密封垫Ⅰ、橡胶密封垫Ⅱ中心开孔的形状、大小相同，碳层包覆的阳极氧化铝片完全覆盖橡胶密封垫Ⅰ、橡胶密封垫Ⅱ的中心开孔，有机玻璃片Ⅰ、有机玻璃片Ⅱ夹持在橡胶密封垫Ⅰ、橡胶密封垫Ⅱ外侧，有机玻璃片Ⅱ与橡胶密封垫Ⅱ对应的一侧对称设置固定销，橡胶密封垫Ⅰ、橡胶密封垫Ⅱ和有机玻璃片Ⅰ上开设与固定销对应的装配孔，有机玻璃片Ⅰ、橡胶密封垫Ⅰ、橡胶密封垫Ⅱ、有机玻璃片Ⅱ通过固定销和装配孔配合，形成组合...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯鹏翔，石超，刘畅，成会明，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21