一种管间限域诱导合成超细纳米线／碳纳米管复合薄膜的方法技术

本发明专利技术涉及碳纳米管复合材料的可控制备领域，具体为一种管间限域诱导合成超细纳米线/碳纳米管复合薄膜的方法。该方法通过化学氧化、等离子体处理等在碳纳米管管壁上可控引入缺陷，后采用化学气相沉积、湿化学合成、溶剂热合成等方法在碳纳米管管束间引入过渡金属、贵金属、过渡金属氧化物等，后经快热处理等诱导自组装形成限域于碳纳米管管束间的超细纳米线，该纳米线定向排列于碳纳米管的管间形成有序复合薄膜。该方法通过改变制造缺陷和引入纳米线前驱体的方法，可调控纳米线的结构和成分，所制备的超细纳米线复合碳纳米管薄膜具有独特的有序结构和优异的性能，在电催化全分解水、热蒸发淡化海水、光热耦合催化等领域具有广泛的应用前景。广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种管间限域诱导合成超细纳米线／碳纳米管复合薄膜的方法


[0001]本专利技术涉及碳纳米管复合材料的可控制备领域，具体为一种管间限域诱导合成超细纳米线/碳纳米管复合薄膜的方法。

技术介绍

[0002]碳纳米管可看作是由石墨烯卷曲而成的一维中空管状结构，其具有超细的纳米管腔(0.6～2.0nm)。自碳纳米管的结构被精细解析以来，其独特的中空管状结构吸引了研究者们的广泛关注。特别是以单壁碳纳米管作为“模板”合成具有新结构和新性能的碳纳米管复合结构一直是该领域的研究热点。
[0003]针对碳纳米管复合结构的可控合成，研究者们提出了两类方法：(一)利用碳纳米管特有纳米管腔的“毛细作用”，通过吸附气相和液相前驱体源实现碳纳米管的填充，制备出C
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@碳纳米管、I2@碳纳米管、金属纳米颗粒/纳米线@碳纳米管、金属氧化物纳米颗粒/纳米线@碳纳米管、硫族同素异形体@碳纳米管等一维管状结构，并发现其在纳电子器件、光电探测、催化等领域极具应用潜力(SmithB.W.etal.Carbon,2000,321,1
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2,169
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174；ZhangJ.etal.Angew.Chem.Int.Ed.,2017,56,1850
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1854；HartM.,et al.Inorg.Chem.2019,58,15216
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15224)。(二)以碳纳米管的管壁为“模板”，通过化学气相沉积生长同轴一维管状异质节，制备出单壁碳纳米管@h
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BN、单壁碳纳米管@h
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BN@MoS2等碳纳米管复合结构，并发现其具有出色的导热增强及光电性能等(Xiang R.,etal.Science,2020,367,6477,537
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542)。
[0004]采用以上方法已获得了具有优异性能的新型碳纳米管复合材料，但样品量通常很少，极大限制了其应用范围。且由于碳纳米管的管壁曲率大、管腔尺寸小，通过填充和包覆制备碳纳米管一维复合结构存在可控性差、效率低、重复性差等问题。基于此，本专利技术提出一种以单壁碳纳米管间限域空间为“模板”，高效可控合成超细纳米线/碳纳米管复合薄膜的方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种管间限域诱导合成超细纳米线/碳纳米管复合薄膜的方法，通过在碳纳米管管间可控制造缺陷，并在缺陷处吸附前驱体，经自组装或快热驱动形成管间限域的超细纳米线，获得结构均一有序的碳纳米管复合薄膜。通过低压化学气相沉积引入过渡金属氧化物，经高温碳化制备管间限域超细过渡金属碳化物/碳纳米管复合薄膜；采用湿化学法使金属乙酰丙酮盐还原，并在管间自组装形成超细金属纳米线/碳纳米管复合薄膜；采用溶剂热法使过渡金属多酸盐分解形成金属氧化物在管间形核生长，经热处理获得超细过渡金属氧化物纳米线/碳纳米管复合薄膜。管间限域纳米线具有单分散和定向排列的特点，以此方法构筑的复合碳纳米管薄膜在能量存贮与转换领域具有广阔的应用前景。
[0006]本专利技术的技术方案：
[0007]一种管间限域诱导合成超细纳米线/碳纳米管复合薄膜的方法，通过化学氧化或等离子体处理方法在高质量碳纳米管管壁上可控引入缺陷，采用化学气相沉积、湿化学合成或溶剂热合成方法在碳纳米管管束间引入过渡金属、贵金属或过渡金属氧化物，经快热处理诱导自组装形成碳纳米管间限域的超细纳米线，获得超细纳米线定向排列于碳纳米管管间的复合薄膜；通过改变制造缺陷和引入纳米线前驱体的方法，调控纳米线的结构和成分。
[0008]所述的管间限域诱导合成超细纳米线/碳纳米管复合薄膜的方法，所使用碳纳米管薄膜为高质量单壁碳纳米管薄膜，薄膜厚度为1～2μm，经化学氧化或等离子体引入缺陷后，仍具有良好的机械性能，能保持自支撑结构。
[0009]所述的管间限域诱导合成超细纳米线/碳纳米管复合薄膜的方法，采用化学氧化的方法在碳纳米管管壁上可控引入缺陷，化学氧化过程中通过使用不同氧化性的氧化剂、改变氧化剂的浓度和氧化时间调控缺陷密度和大小；其中，氧化剂是强氧化性的KMnO4或H2SO4、弱氧化性的H2O2，或者氧化性酸HNO3。
[0010]所述的管间限域诱导合成超细纳米线/碳纳米管复合薄膜的方法，采用等离子体处理在碳纳米管管壁上可控引入缺陷，使用不同化学反应活性的等离子体源、改变产生等离子体的功率和处理时间调控引入缺陷的密度和尺寸；其中，等离子体源为高化学反应活性的O3或O2，或者中等化学反应活性的H2，或者惰性的N2或Ar。
[0011]所述的管间限域诱导合成超细纳米线/碳纳米管复合薄膜的方法，通过化学气相沉积、湿化学合成或溶剂热合成方法在碳纳米管管间引入过渡金属、贵金属或过渡金属氧化物，经热处理后形成限域于碳纳米管管间的超细纳米线。
[0012]所述的管间限域诱导合成超细纳米线/碳纳米管复合薄膜的方法，前驱体经缺陷诱导沉积生长，所制备超细纳米线的直径小于5nm且定向排列于碳纳米管的管间，形成结构有序的碳纳米管复合薄膜。
[0013]所述的管间限域诱导合成超细纳米线/碳纳米管复合薄膜的方法，采用低压化学气相沉积方法合成管间限域的超细过渡金属碳化物纳米线，负压条件下以金属有机物为前驱体源，在低于前驱体源分解温度下，将过渡金属氧化物团簇沉积在含有缺陷的碳纳米管管壁上，以升温速率50～500℃/s快速升温至700～1700℃，通入CH4碳源使其碳化1～5min，同时在管间限域空间内团聚形成超细过渡金属碳化物纳米线；其中，过渡金属碳化物为Mo2C、W2C、TaC或ReC中的一种或两种以上，管间限域过渡金属碳化物/单壁碳纳米管复合薄膜具有优异的电催化析氢性能。
[0014]所述的管间限域诱导合成超细纳米线/碳纳米管复合薄膜的方法，采用湿化学法合成管间限域的超细金属纳米线，以乙酰丙酮金属盐为前驱体，添加表面活性剂在130～220℃油胺中加热1～300min，在碳纳米管薄膜管束间生成超细金属纳米线；其中，金属为Pt、Pd、Fe、Co、Ni、Mo、Ru、Rh中的一种或两种以上；表面活性剂为双十二烷基二甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十八烷基三甲基溴化铵、二十二烷基二甲基溴化铵中的一种或两种以上，管间限域超细金属纳米线/单壁碳纳米管复合薄膜具有优异的界面水蒸发性能。
[0015]所述的管间限域诱导合成超细纳米线/碳纳米管复合薄膜的方法，超细纳米线限
域定向排列于碳纳米管管间，具有特定的结构取向，广泛应用在电催化全分解水、热蒸发淡化海水、光热耦合催化或太阳能界面水蒸发领域。
[0016]本专利技术的设计思想是：
[0017]本专利技术利用单壁碳纳米管管间沟槽为限域空间可控合成自支撑超细纳米线/碳纳米管复合薄膜。以单壁碳纳米管具有超细管径的特点，管与管间形成微小限域空间，在碳纳米管管壁可控制造缺陷，后通过溶剂热反应、化学气相沉积和湿化学合成等方法在碳纳米管缺陷处引入前驱体自组装形成超细纳米线。管间限域单分散超细纳米线具有一致的取向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种管间限域诱导合成超细纳米线/碳纳米管复合薄膜的方法，其特征在于，通过化学氧化或等离子体处理方法在高质量碳纳米管管壁上可控引入缺陷，采用化学气相沉积、湿化学合成或溶剂热合成方法在碳纳米管管束间引入过渡金属、贵金属或过渡金属氧化物，经快热处理诱导自组装形成碳纳米管间限域的超细纳米线，获得超细纳米线定向排列于碳纳米管管间的复合薄膜；通过改变制造缺陷和引入纳米线前驱体的方法，调控纳米线的结构和成分。2.按照权利要求1所述的管间限域诱导合成超细纳米线/碳纳米管复合薄膜的方法，其特征在于，所使用碳纳米管薄膜为高质量单壁碳纳米管薄膜，薄膜厚度为1～2μm，经化学氧化或等离子体引入缺陷后，仍具有良好的机械性能，能保持自支撑结构。3.按照权利要求1或2所述的管间限域诱导合成超细纳米线/碳纳米管复合薄膜的方法，其特征在于，采用化学氧化的方法在碳纳米管管壁上可控引入缺陷，化学氧化过程中通过使用不同氧化性的氧化剂、改变氧化剂的浓度和氧化时间调控缺陷密度和大小；其中，氧化剂是强氧化性的KMnO4或H2SO4、弱氧化性的H2O2，或者氧化性酸HNO3。4.按照权利要求1或2所述的管间限域诱导合成超细纳米线/碳纳米管复合薄膜的方法，其特征在于，采用等离子体处理在碳纳米管管壁上可控引入缺陷，使用不同化学反应活性的等离子体源、改变产生等离子体的功率和处理时间调控引入缺陷的密度和尺寸；其中，等离子体源为高化学反应活性的O3或O2，或者中等化学反应活性的H2，或者惰性的N2或Ar。5.按照权利要求1所述的管间限域诱导合成超细纳米线/碳纳米管复合薄膜的方法，其特征在于，通过化学气相沉积、湿化学合成或溶剂热合成方法在碳纳米管管间引入过渡金属、贵金属或过渡金属氧化物，经热处理后形成限域于碳纳米管管间的超细纳米线。6.按照权利要求1或5所述的管间限域...

【专利技术属性】
技术研发人员：张峰，张子初，刘畅，杨昊，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：