磁性碳纳米材料及其制备方法技术

本公开的实施方式涉及用于产生磁性碳纳米材料产物的方法和装置，该磁性碳纳米材料产物可以包括其中至少一些为磁性CNT(mCNT)的碳纳米管(CNT)。该方法和装置采用二氧化碳(CO2)作为电解反应中的反应物以制备mCNT。在本公开的一些实施方式中，磁性添加剂组分在方法中作为反应物被包括并且在系统或组合物中作为一种或多种组分的一部分被包括，从而在用于制备磁性碳纳米材料的电合成反应期间促进磁性材料添加过程、碳化物成核过程或两者。碳化物成核过程或两者。碳化物成核过程或两者。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】磁性碳纳米材料及其制备方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请主张于2020年5月8日提交的美国临时专利申请序列号63/022,284的优先权和权益，该专利申请以其全部内容作为参考并入本文。


[0003]本公开一般地涉及碳纳米材料的产生。具体地，本公开涉及产生磁性碳纳米材料的方法、系统和组合物。

技术介绍

[0004]多壁碳纳米管(CNT)由圆柱形石墨烯片材的同心壁组成。石墨烯是二维、蜂窝结构材料，它由厚度约0.335nm的单层sp2杂化轨道碳原子形成，其对应于一个碳原子的厚度。CNT具有任何材料中最高的测量拉伸强度(强度93,900MPa)。CNT具有多种有用的性质，包括高电学
‑
导电性、高
‑
导热性、柔韧性，并且它们还可以化学修饰。这些有用的性质的意义在于CNT在它们的应用中具有稳步升高。
[0005]产生CNT的已知方法是化学气相淀积，CVD。CNT的CVD是昂贵的并且具有高碳足迹。

技术实现思路

[0006]本公开的实施方式涉及产生电合成碳纳米材料(CNM)产物的方法、系统和组合物，该碳纳米材料(CNM)产物包含多种纳米结构，包括碳纳米管(CNT)，它们中的至少一些是磁性CNT(mCNT)或其他磁性碳纳米结构或形态。方法和装置可以采用二氧化碳(CO2)作为碳源，其中碳是电解反应中的反应物以制备可以包括mCNT的磁性CNM(mCNM)产物。电解反应引起碳从碳源向mCNM的传质。在本公开的一些实施方式中，铁在方法中作为反应物并且在装置中作为一种或多种组分的一部分被包括，从而在用于制备包括含有铁或碳化铁的mCNT的mCNM产物的电解反应期间促进磁性材料添加过程或碳化物成核过程或两者。在本公开的其他实施方式中，镍或碳化镍在方法中作为反应物并且在装置中作为一种或多种组分的一部分被包括，从而在用于制备包括含有镍或碳化镍的mCNT的mCNM产物的电解反应期间促进磁性材料添加过程或碳化物成核过程或两者。
[0007]本公开的一些实施方式涉及制备mCNM产物的方法。该方法包括以下步骤：加热电解质介质以获得熔融的电解质介质。然后，将熔融的电解质介质置于电解槽的阳极与阴极之间。该方法还包括将磁性添加剂组分置于电解槽内的步骤。该方法还包括向电解槽内的阴极和阳极施加电流的步骤以及从阴极收集mCNM产物的步骤。
[0008]本公开的一些实施方式涉及选择mCNM产物的一种或多种具体结构/形态的性质的方法。就它们的位置和/或它们的取向来说，mCNM产物可以受磁场影响。不受任何具体理论的束缚，mCNM产物可以用于：一种或多种医学应用，如药物递送和成像；用于准确定位；消费电子设备；信息存储；废水处理；电化学传感器；和/或作为多种化学反应中的催化剂。
[0009]如本文所使用的，术语“选择纳米材料的形态”是指有助于控制电合成mCNM产物的
结构和/或形态的任何步骤。在本公开的一些实施方式中，所选择的mCNM的形态可以包括以下CNM形态：碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米洋葱、碳纳米支架、碳纳米球、碳纳米螺旋、碳纳米片、石墨烯或它们的组合。在本公开的一些实施方式中，选择纳米材料形态的步骤可以导致部分、大部分、基本全部或全部单一CNM形态的mCNM产物的电合成。例如，就电流和/或化学组分来说，选择纳米材料形态的步骤可以包括添加纳米材料选择组分以用于产生处于部分、大部分、基本全部或全部下列形态之一的电合成mCNM产物：mCNT、磁性碳纳米纤维、磁性碳纳米洋葱、磁性碳纳米支架、磁性碳纳米球、磁性碳纳米螺旋、磁性碳纳米片或磁性石墨烯。
[0010]在本公开的一些实施方式中，选择纳米材料形态的步骤包括作为直流电(DC)向阴极和阳极施加电流。例如，DC电解电流可以选择用于包括CNT形态的mCNM产物。
[0011]在本公开的一些实施方式中，选择纳米材料形态的步骤包括作为交流电(AC)向阴极和阳极施加电流。例如，AC电解电流可以选择用于具有纳米洋葱形态的CNM产物。
[0012]在另一个实施方式中，选择纳米材料形态的步骤包括向熔融的电解质介质添加ZnO并施加AC电解电流，其可以选择用于具有石墨烯片形态的CNM产物。
[0013]在另一个实施方式中，选择纳米材料形态的步骤包括向电解质介质添加氧化铁并选择用于碳纳米螺旋产物的高密度电流。
[0014]在另一个实施方式中，选择纳米材料形态的步骤包括向熔融的电解质介质添加MgO并选择用于中空碳纳米球产物的电流。
[0015]本公开的一些实施方式涉及包括用于制备一种或多种磁性碳纳米材料产物的电解槽的系统。电解槽包括限定集气室(plenum)的一个或多个壁和定位在集气室内的阳极和阴极。集气室被配置为接收和保持阳极与阴极之间的熔融的电解质介质。电解槽进一步被配置为接收磁性材料添加组分或碳化物生长组分、任选的纳米材料选择组分和应用于阳极和阴极以引起制备一种或多种磁性碳纳米材料产物的电解反应的电流。
[0016]不受任何具体理论的束缚，本公开的实施方式涉及通过磁性材料添加过程或碳化物成核过程或两者，在熔融的电解质介质中使二氧化碳(CO2)裂解以制备mCNM产物，包括碳纳米管(mCNT)的电解反应。磁性碳纳米材料，包括mCNT具有多种应用，如在医学疗法中将疗法导向至受试者的局部区域。磁性碳纳米材料，包括mCNT还可以用作可收回的催化剂。
[0017]本公开的其他实施方式涉及在不存在CO2的情况下制备mCNM产物的电合成方法。不受任何具体理论的束缚，本公开的一些实施方式涉及通过磁性材料添加过程或碳化物成核过程或两者，在熔融的电解质介质中使碳酸盐裂解以提供制备mCNM产物，包括碳纳米管(mCNT)的碳源的电解反应。
[0018]本公开的一些实施方式涉及由包含铁和/或镍的材料制成的容器接收和保持熔融的电解质介质的使用。另外或者作为另外一种选择，来自阳极的铁和/或镍可以迁移至其上生长碳纳米管的阴极。例如，能量色散X射线光谱(EDS)元素分析确认碳纳米管中铁的存在，并且X射线衍射(XRD)分析确认碳化铁的存在。可以使用包含铁的容器，对于阳极使用富铁合金，如Incoloy，对于阴极使用含铁合金并且通过可以引入电解质介质的铁基添加剂、电解质介质本身或它们的组合提供进一步的铁源来实现电解质介质内过量的铁。过量的铁，而不是成核促进剂(nucleation facilitator)可以导致在mCNT产物，如mCNT内的结构的外表面上发生磁性材料添加，即石墨烯层，也称为石墨碳，涂层碳化铁结核，以及在mCNM，如
mCNT结构内导致碳化铁。
[0019]本公开的一些实施方式涉及作为用于制备磁性碳纳米材料产物的电解质介质的组合物。电解质介质包含碳酸盐；以及磁性材料添加组分或碳化物生长组分或两者。
[0020]不受任何具体理论的束缚，通过使用来自大气的CO2或者来自人为来源的CO2作为在本公开的电解反应中提供作为反应物的碳的碳源，本公开的实施方式可以降低制备可以包含mCNT和/或其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于产生磁性碳纳米材料的方法，所述方法包括：(a)加热电解质介质以获得熔融的电解质介质；(b)将所述熔融的电解质介质定位在电解槽的阳极与阴极之间；(c)在所述电解槽内引入磁性添加剂组分；(d)在所述电解槽内引入碳源；(e)向所述电解槽中的所述阴极和所述阳极施加电流；以及(f)从所述阴极收集所述磁性碳纳米材料产物。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述磁性添加剂组分包括磁性材料添加组分、碳化物生长组分、以及它们的任意组合。3.根据权利要求1所述的方法，还包括选择所述磁性碳纳米材料产物的成分的纳米形态的步骤。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述选择纳米材料形态的步骤选择所述磁性碳纳米材料产物以包含磁性碳纳米管产物。5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述选择纳米材料形态的步骤选择所述磁性碳纳米材料产物以包含磁性碳片产物。6.根据权利要求3所述的方法，其中，所述选择纳米材料形态的步骤选择所述磁性碳纳米材料产物以包含磁性石墨烯产物。7.根据权利要求3所述的方法，其中，所述选择纳米材料形态的步骤选择所述磁性碳纳米材料产物以包含磁性碳纳米洋葱产物。8.根据权利要求3所述的方法，其中，所述选择纳米材料形态的步骤选择所述磁性碳纳米材料产物以包含磁性中空碳纳米球产物。9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述磁性碳纳米材料产物被吸引至磁铁。10.根据权利要求2所述的方法，其中，所述碳化物生长组分是金属碳化物。11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述金属碳化物是以下中的一种：碳化铁、碳化镍、碳化钴、碳化锆、碳化铬、碳化钽、碳化铪、以及它们的任意组合。12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述金属碳化物是碳化铁。13.根据权利要求2所述的方法，其中，所述碳化物生长组分是非金属碳化物。14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述非金属碳化物是以下中的一种：碳化硅、碳化锗、以及它们的任意组合。15.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电解槽包括由钢、不锈钢以及它们的任意组合组成的一个或多个壁。16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电解槽包括由铁、铸铁以及它们的任意组合组成的一个或多个壁。17.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电解槽包含涂覆了包含镍、镍合金、铁、铸铁以及它们的任意组合的涂层的一个或多个壁。18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述磁性碳纳米材料产物包含磁性添加剂组分。19.根据权利要求1所述的方法，其中，所述磁性碳纳米材料产物包含在所述磁性碳纳米材料产物上作为一个或多个结核的所述磁性添加剂组分。20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述结核由一层或多层石墨碳覆盖。
21.根据权利要求2所述的方法，其中，所述磁性材料添加剂组分是以下中的一种或多种：铁、镍、钴、钆、钐、钕、钢、以及包含一种或多种具有铁磁性、顺磁性或抗磁性的磁性材料的其他合金。22.根据权利要求2所述的方法，其中，所述磁性添加剂组分来源于所述电解槽的一个或多个壁。23.根据权利要求2所述的方法，其中，所述磁性添加剂组分来源于所述阳极。24.根据权利要求2所述的方法，其中，所述磁性添加剂组分来源于所述阴极。25.根据权利要求2所述的方法，其中，所述磁性添加剂组分来源于添加至所述电解质介质的铁基添加剂。26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述铁基添加剂是以下中的一种或多种：铸铁粉末、铁金属、钢、不锈钢、另一种含铁金属合金、氧化铁、FeO、Fe2O3、Fe3O4、任何其他含铁盐、以及它们的任意组合。27.根据权利要求2所述的方法，其中，所述磁性添加剂组分来源于所述电解质介质。28.根据权利要求1所述的方法，其中，所述碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：S，
申请(专利权)人：C二CNT有限责任公司，
类型：发明
国别省市：