层状碳纳米棒及其制备方法技术

本发明专利技术公开了层状碳纳米棒及其制备方法，Ｎｉ纳米催化剂前驱体被氢气还原得到高活性Ｎｉ纳米颗粒，还原温度为４００～５００℃，还原时间３～１０小时，以此Ｎｉ纳米颗粒为催化剂进行原位合成反应；还原结束后立即切换入由氩气携带的苯蒸气，苯液体保持在７０±１０℃环境中，在Ｎｉ纳米颗粒表面原位催化裂解苯。反应温度３５０～４８０℃，反应时间３～８小时，氩气的流速为４０～１２０毫升／分钟；苯在Ｎｉ纳米颗粒表面催化裂解生成由碳纳米片组成的碳纳米棒。本发明专利技术具有制备工艺简单、成本低、过程容易控制，产率高，易于规模化，环境友好、无污染等特点。层状碳纳米棒可用于催化剂载体、电极材料等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种新颖的碳纳米结构-。
技术介绍
近年来，一维碳纳米材料(如碳纳米管、纳米纤维、纳米螺旋等)受到了人们广泛 的关注。这些碳纳米材料具有许多潜在的应用，如用于储氢材料、电磁波吸收、电极材料、场 发射器件、燃料电池等。但到目前为止，尚没有关于碳纳米棒的文献报道。由于碳棒具有大 的放电容量，高的库伦效率，低的放电势能，因此被广泛应用于电池阳极材料。合成出纳米 级的碳棒，对于微、纳米电子器件的设计制造具有更加重要的意义。目前文献报道的制备碳纳米材料的方法，条件复杂且难于控制，得到的产物形貌 不单一、纯度较低，反应温度高、能耗大，而且还面临许多环境污染问题，并且至今没有关于 碳纳米棒的文献报道。
技术实现思路
本专利技术目的是，提出一种新颖的碳纳米结构_。在较 低的温度下(350 480°C )，以原位合成的具有高反应活性的Ni纳米颗粒为催化剂，催化 裂解苯蒸气，得到一种新颖的碳纳米结构_由碳纳米片组成的棒状结构。本专利技术的技术方案是层状碳纳米棒的制备方法，首先采用原位氢气还原的方法 得到高活性的Ni纳米催化剂，还原温度为400 500°C，还原时间3 10小时，以此高反应 活性的M纳米颗粒为催化剂进行原位合成反应；还原结束后立即切换入由氩气(或氦气) 携带的苯蒸气，苯液体保持在70士 10°C环境中，在M纳米颗粒表面原位催化裂解苯。反应 温度350 480°C，反应时间3 8小时，氩气(或氦气)的流速为40 120毫升/分钟。 苯在M纳米颗粒表面催化裂解生成由碳纳米片组成的碳纳米棒。首先合成催化剂前驱体。M纳米颗粒催化剂是以氯化镍或硫酸镍为原料，柠檬酸 或亚硝基三乙酸、乙二醇为络合剂，无水乙醇或异丙醇为溶剂形成均勻非水溶胶，经过蒸发 脱水形成凝胶，空气中预焙烧去除有机物，在H2气氛中不同温度下还原得到具有高反应活 性的Ni纳米颗粒。其中镍离子和络合剂的摩尔比为1 1.0 1 3.0，蒸发脱水温度为 70 90°C ；干凝胶在空气中预烧温度为400 500°C，焙烧时间4 10小时；在氢气中还 原温度为400 500°C，还原时间为3 10小时；尤其是还原时间为4-5小时。将催化剂前驱体放置于管式石英反应器中，通入氢气还原催化剂前驱体得到Ni 纳米颗粒。还原温度为400 500°C，还原时间3 10小时。还原结束后立即切换入由氩 气(或氦气)携带的苯蒸气(苯液体放置在70士 10°C水浴环境中)，在Ni纳米颗粒表面 原位催化裂解苯。反应温度350 480°C，反应时间3 8小时，氩气(或氦气)的流速为 40 120毫升/分钟。反应结束后，保持氩气(或氦气)的流速，自然冷却到室温，在反应 器中得到大量黑色产物。经过分析表征，表明得到的产物为碳纳米片组成的碳纳米棒。碳 纳米棒的纯度高达97% (质量比)，棒的直径200 500纳米，长度为几个微米。碳纳米片之间有间隙但相互之间有联系。层状碳纳米棒的比表面积大于100平方米/克。本专利技术合成的层状碳纳米棒具有非常高的热稳定性，在空气气氛中加热到300°C 或在氩气中加热到750°C，产物的结构和性能不发生明显改变；另外，产品的结晶度高、比 表面积大，可应用于催化剂载体、电极材料、储氢材料、轻质吸波、隐身材料等领域。合成过 程中不使用任何含硫气体(如噻吩)和手性试剂，反应温度低，产率高，经济环保，有利于规 模生产。用本专利技术制备的产品通过以下手段进行结构和性能表征产品的物相采用日本 Rigaku公司制造的D/Max-RA型旋转阳极X射线衍射仪(XRD)进行分析(CuK a )；产品的形 貌采用JSM-5610LV型扫描电子显微镜(SEM)、FEI公司生产的Sirion场发射扫描电子显微 镜(FE-SEM)以及JE0L-2010型高分辨透射电子显微镜(HRTEM)表征，产品的磁性能采用美 国产LakeSbore振动样品磁强计(VSM)测定；产品的抗氧化性能采用NETZSCH STA 449C综 合热分析仪确定。产品的微波吸收性能由AgilentE8363B (频率范围2GHz到18GHz)网络 分析仪测量。本专利技术有益效果是，提出一种新颖的碳纳米结构-。 可以在较低的温度下(350 480°C )，以原位合成的具有高反应活性的Ni纳米颗粒为催化 剂，催化裂解苯蒸气，得到一种新颖的碳纳米结构-由碳纳米片组成的棒状结构。由于在整 个合成过程中不需要添加任何含硫气体(如噻吩)和手性试剂，节省了原材料成本，且环境 友好、无污染。本专利技术具有制备工艺简单、成本低、过程容易控制，产率高等特点。本专利技术合 成的层状碳纳米棒具有热稳定性高(在空气气氛中可耐300°C，在氩气中可耐750°C高温， 结构和性能不发生明显改变)，结晶度高、比表面积大，可应用于催化剂载体、电极材料、储 氢材料、轻质吸波、隐身材料等领域。四附图说明图1是实施例1得到的层状碳纳米棒的结构表征结果。图1(a)为产物的X-射线 衍射谱图，表明生成的产物由金属Ni和石墨碳组成，碳材料的结晶度较高。图1(b)为产 物的红外光谱谱图，表明尽管反应温度很低，但苯在高反应活性的M颗粒表面完全裂解为 石墨碳，产物中不存在C-H等组分。图1(c)为产物在空气中的热重曲线，表明碳纳米棒在 500°C以下基本稳定，500°C以上氧化为C02气体，剩余产物为NiO。热重曲线也说明产物中 碳纳米材料的产率很高，催化剂在产物中的含量很少。图2是实施例1得到的碳纳米棒的场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)照片。表明 得到的产品为层状碳纳米棒，纳米棒的直径200 300nm，长度为几微米。图3是实施例1得到的碳纳米棒的高分辨透射电子显微镜(HR-TEM)照片。清楚 地表明产物为层状结构，层与层之间有空隙。图4是实施例1得到的碳纳米棒的磁性测量结果。磁性来源于产物中的催化 剂-金属Ni纳米颗粒。图5是实施例2得到的碳纳米棒的场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)照片。表明 反应温度升高，碳纳米棒的直径变粗，纳米棒发生弯曲，说明反应温度对纳米棒的形貌有很 大影响。图6是实施例5得到的碳纳米棒的场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)照片。表明4催化剂前驱体用量对纳米棒的形貌有很大影响。 五具体实施例方式以下是本专利技术的实施例(实施例中所用试剂为化学纯)。实施例1 步骤1称取0. 03mol NiCl2 6H20和0. 045mol柠檬酸溶于300mL无水乙醇中，在 60°C温度下持续搅拌6小时，形成均勻透明溶胶；80°C蒸发脱水直至生成干凝胶；干凝胶在 空气中500°C预焙烧4小时，得到催化剂前驱体。步骤2称取0. 03克催化剂前驱体，平铺于宽3cm，长6cm的陶瓷方舟中。将方舟放 置到内径6cm，长80cm的石英反应器中，然后将石英反应器水平放置到管式炉中，使方舟正 好置于管式炉的中部(测温热电偶所在处)，管式炉的恒温区为8cm，恒温区的温度为热电 偶显示的温度，方舟正好置于恒温区。 步骤3反应器中通入氢气20分钟，氢气流量60毫升/分钟，排除反应器中的空气； 以8°C /分钟的速率升温至500°C，保温4小时，关闭氢气，得到高反应活性Ni纳米颗粒。步骤4将苯液体放置在两颈瓶中，两颈瓶置于70°C水浴中，用氩气做载气将苯蒸 气带出，载气流速本文档来自技高网...

【技术保护点】
层状碳纳米棒的制备方法，其特征是Ｎｉ纳米催化剂前驱体被氢气还原得到高活性Ｎｉ纳米颗粒，还原温度为４００～５００℃，还原时间３～１０小时，以此高反应活性的Ｎｉ纳米颗粒为催化剂进行原位合成反应；还原结束后立即切换入由氩气（或氦气）携带的苯蒸气，苯液体保持在７０±１０℃环境中，在Ｎｉ纳米颗粒表面原位催化裂解苯。反应温度３５０～４８０℃，反应时间３～８小时，氩气（或氦气）的流速为４０～１２０毫升／分钟；苯在Ｎｉ纳米颗粒表面催化裂解生成由碳纳米片组成的碳纳米棒。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：钟伟，祁小四，都有为，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]