本发明专利技术涉及一种高结晶性双壁碳纳米管的制备方法，属碳纳米管材料制备工艺技术领域。本发明专利技术方法的特点是采用含铁催化剂的阳极碳电极棒，利用电弧放电法在氢气或氢气和氩气混合气体放电气氛下，实现阳、阴两电极之间的电弧放电来制得碳纳米管，同时再在氢气和空气的高温处理下进行双壁碳纳米管的提纯，最终得到纯度达９０％以上的双壁碳纳米管。本发明专利技术方法制备出的双壁碳纳米管具有结晶性高、管径分布窄、平均直径小和纯度高的优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种，属碳纳米管材料制备工艺技 术领域。
技术介绍
双壁碳纳米管是多壁碳纳米管的一种，是单壁碳纳米管向多壁碳纳米管过渡时的 一种类型，是最简单的多壁碳纳米管。同时由于双壁碳纳米管的直径接近于单壁碳纳米管， 双壁碳纳米管的电学、光学、力学性质也接近于单壁碳纳米管，同时它还兼具多壁碳纳米管 的优点。例如双壁碳纳米管拥有类似多壁碳纳米管的耐用性和耐氧化性，同时可以表现出 与单壁碳纳米管一样的电学、光学、力学和量子效应特性。因此，在最近几年，双壁碳纳米管 开始逐渐替代单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，成为场发射晶体管、透明导电薄膜、多功能复 合增强材料、分子电子器件、生物化学传感器等实际应用的热门材料。1991年，饭岛澄男发现由电弧法制备的多壁碳纳米管(Ii jima S et al. Nature, 1991,354:56-58)。1993年饭岛澄男又利用电弧法制备出了单壁碳纳米管(Ii jima S et al. Nature, 1993, 363 :603_605)。但是，直到2001年，才由Hutchison利用氢电弧法制备 出富集双壁碳纳米管的样品(Hutchison JL et al. Carbon，2001，39 :761_770)。该样品 主要存在于电极周围，数量较少，无法大规模制备。金属物理研究所的成会明等人(Li LX et al. Carbon, 2005,43 623-629)利用电弧法制备出双壁碳纳米管，但是双壁碳纳米管 的直径分布很宽，并且需要多壁碳纳米管作为原料。篠原久典等人(Sugai T et al. Nano Letters, 2003, 3 (6) :769_773)利用高温脉冲电弧法制备出直径分布较窄的双壁碳纳米 管样品，但是制备的产量很低，无法大规模生产。韦进全等人(Wei et al. Journal of Physical Chemistry B, 2004,108 (26) :8844_8847)利用化学气相沉积法制备出了双壁碳 纳米管样品，但是由于本身化学气相沉积法的局限性，由这种方法制备的碳纳米管的结晶 性相对电弧法制备的碳纳米管的结晶性还不够高，并且双壁碳纳米管的直径分布很宽。因 此，需要寻找一种既可制备出高结晶性高纯度的双壁碳纳米管，还要保持双壁碳纳米管有 较小的直径分布，并且适用于较大规模的制备。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高结晶性的双壁碳纳米管的制备方法本专利技术一种，其特征在于具有以下的制备过程 和步骤a.含铁催化剂阳极碳电极棒的制备采用可石墨化碳粉为原料，掺入质量百分 比分别为4%的铁催化剂，和0.5%的硫辅助催化剂，然后压制成为圆柱形成方形棒；在 800-1200°C缺氧气氛中进行烧结，然后再在1400-2000°C缺氧气氛中进行烧结；b.碳纳米管的制备利用电弧放电法来制备；利用上述含铁含硫催化剂碳电极棒 为阳极，以高纯石墨棒为阴极，在气压为39900 66500Pa的氢气、或氢气和氩气的混合气3体的放电气氛下，实现阳、阴两极之间的电弧放电来制得碳纳米管；放电电流为50 200A ； 放电时阴极和阳极之间的距离为2 4mm ；c.双壁碳纳米管的提纯先在氢气和空气气氛中进行高温热处理，氢气气氛的温 度控制在700 900°C，空气气氛的温度控制在400 500°C，处理时间0. 5 1. 0小时， 以除去多数的碳杂质；其次用浓盐酸浸泡，搅拌或回流处理，此步骤以除去多数的金属催化 剂颗粒；最后再利用氢气和空气在较高温度下进行热处理；氢气的处理温度控制在900 Iioo0C ；空气气氛的温度控制在450 550°C ；此步骤可以除去多数的残余碳杂质以及同时 产生的单壁碳纳米管；最终得到含双壁碳纳米管90%以上的碳纳米管，即双壁碳纳米管的 纯度达到90%以上。上述利用电弧放电法制备碳纳米管是所述的氢气和氩气的混合气体，两者体积比 为 1 1 4 1。本专利技术的特点和优点如下所述本专利技术中采用了铁作催化剂以及硫作辅助催化剂，加入铁的作用是它可作为碳纳 米管的生长点，导致碳纳米管的生长；硫的存在可改变碳纳米管的直径，提高双壁碳纳米管 的生成率，即提高双壁碳纳米管与单壁碳纳米管的相对比值。本专利技术方法制备出的双壁碳纳米管具有结晶性高、管径分布窄、平均直径小和纯 度高的优点。附图说明图1为本专利技术制备出的双壁碳纳米管的扫描电子显微镜(SEM)照片图2为本专利技术制备出的双壁碳纳米管的透射电子显微镜(TEM)照片图3为本专利技术制备出的双壁碳纳米管的高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)照片图4为本专利技术制备出的双壁碳纳米管的拉曼光谱(Raman spectrum)结果图5为本专利技术制备出的双壁碳纳米管的热重分析(TGA and DTG)结果具体实施例方式现将本专利技术的具体实施例叙述于后。本实施例中，双壁碳纳米管的制备过程和步骤如下所述(1)阳极含催化剂碳电极棒的制备采用可石墨化碳粉为原料，掺入质量百分比分别为的铁催化剂，和0.5%的 硫辅助催化剂，然后压制成圆柱形或方形棒，在800-1200°C缺氧气氛中烧结，然后再在 1400-2000°C缺氧气氛中烧结。(2)碳纳米管的制备利用直流电弧放电法制备。阴极为高纯石墨棒，阳极为含催化剂碳电极棒，放电气 氛为氢气或者为氢气占体积分数为50% -80%的氢气和氩气混合气体。放电电流为50安 培到200安培。放电时，阳极和阴极之间的距离保持在2毫米到4毫米之间。(3)双壁碳纳米管的提纯制备出的碳纳米管样品含有催化剂颗粒以及无定形碳等碳杂质，还有部分单壁碳 纳米管生成，这就需要对碳纳米管样品进行提纯处理，包含去除金属催化剂和碳杂质，以及去除生成的部分单壁碳纳米管。首先，利用氢气(温度控制在700-900°C)以及空气(温度 控制在400-50(TC)高温处理碳纳米管0.5 1.0小时，此步骤可以除去大多数碳杂质。其 次，利用浓盐酸浸泡、搅拌或回流处理碳纳米管，此步骤可以除去多数的金属催化剂颗粒。 最后，利用氢气(温度控制在900-1100°C )以及空气(温度控制在450-550°C )高温处理 碳纳米管，此步骤可以除去多数的残余碳杂质和单壁碳纳米管。最终得到纯度90%以上，即 含双壁碳纳米管90%以上的双壁碳纳米管样品。仪器检测参见图1、图2和图3。扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察表明碳纳米管样品具有很高的纯度。高分 辨率透射电子显微镜的统计结果给出碳纳米管样品中90%以上为双壁碳纳米管。高分辨率 透射电子显微镜的统计结果和拉曼光谱测量表明双壁碳纳米管的直径分布很窄，内径多数 分布在0. 7-0. 9nm之间。参见图4和图5。图4为Raman spectrum即双壁碳纳米管的拉曼光谱图。通过分析 G-band(1585cm-l)即 G 峰与 D-band(1311cm_l)即 D 峰的比值(IG/ID = 14. 3)以及电镜图 片(图1、2和3)，可以推断，本制备方法制备出的碳纳米管结晶性好，缺陷和杂质较少。通过 分析RBM(100-300cm-l)即呼吸峰，可以判断出所制备的碳纳米管是双壁碳纳米管，通过两 个峰值的位置带入公式可以计算出分别代表双壁碳纳米管的内径和外径的直径大小，分别 为0. 9nm和1. 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高结晶性双壁碳纳米管的制备方法，其特征在于具有以下的制备过程和步骤： ａ．含铁催化剂阳极碳电极棒的制备：采用可石墨化碳粉为原料，掺入质量百分比分别为１％的铁催化剂，和０．５％的硫辅助催化剂，然后压制成圆柱形或者方形棒；在８００－１２００℃缺氧气氛中进行烧结，然后再在１４００－２０００℃缺氧气氛中烧结。 ｂ．碳纳米管的制备：利用电弧放电法来制备；采用上述含铁含硫催化剂碳电极棒为阳极，以高纯石墨棒为阴极，在气压为３９９００～６６５００Ｐａ的氢气、或氢气和氩气的混合气体的放电气氛下，实现阳、阴两电极之间的电弧放电，来制得碳纳米管；放电电流为５０～２００Ａ；放电时阳极和阴极之间的距离为２～４ｍｍ。 ｃ．双壁碳纳米管的提纯：先在氢气和空气气氛中进行高温热处理；氢气气氛的温度控制在７００～９００℃；空气气氛的温度控制在４００～５００℃，处理时间为０．５～１．０小时，以除去多数的碳杂质；其次用浓酸浸泡、搅拌或回流处理，此步骤可除去多数的金属催化剂颗粒；最后再利用氢气和空气在较高温度下进行热处理；氢气的处理温度控制在９００～１１００℃；空气气氛的温度控制在４５０～５５０℃；此步骤可以除去多数的残余碳杂质以及同时产生的单壁碳纳米管；最终得到含双壁碳纳米管９０％以上的碳纳米管，即双壁碳纳米管的纯度达到９０％以上。...
【技术特征摘要】
一种高结晶性双壁碳纳米管的制备方法，其特征在于具有以下的制备过程和步骤a.含铁催化剂阳极碳电极棒的制备采用可石墨化碳粉为原料，掺入质量百分比分别为1％的铁催化剂，和0.5％的硫辅助催化剂，然后压制成圆柱形或者方形棒；在800 1200℃缺氧气氛中进行烧结，然后再在1400 2000℃缺氧气氛中烧结。b.碳纳米管的制备利用电弧放电法来制备；采用上述含铁含硫催化剂碳电极棒为阳极，以高纯石墨棒为阴极，在气压为39900～66500Pa的氢气、或氢气和氩气的混合气体的放电气氛下，实现阳、阴两电极之间的电弧放电，来制得碳纳米管；放电电流为50～200A；放电时阳极和阴极之间的距离为2～4mm。c.双壁碳纳米管的提纯先在氢气和空气气...
【专利技术属性】
技术研发人员：赵新洛，盛雷梅，郁黎明，安康，石磊，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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