用于纯化纳米碳制品的快速微波方法技术

本发明专利技术描述了一种新颖的微波辅助方法，该方法用于快速除去富勒烯、单壁和多壁碳纳米管制品中的催化金属和不期望的碳杂质。该纯化方法在强酸（例如硫酸和硝酸的混合物）的存在下、在弱酸（例如乙酸）中以及在螯合剂（例如ＥＤＴＡ－乙二胺四乙酸）的存在下，于纳米碳部分的悬浮体中，在各种程序控制的压力、功率水平和反应时间下进行。在一个实施方式中，观察到７０～９０％的高金属除去效率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及纳米碳制品如包括C6()、 C7o和纳米洋葱的富勒烯，以及单壁和多壁碳纳米管状纤维或者纳米管的纯化。在一些实施方式中， 本专利技术涉及一种快速、环境友好的方法，该方法处理成本相对低。
技术介绍
自从Iijima在199年第一次发现单壁碳纳米管(SWNT)以来，由 于它们独特的结构和电子性能，单壁碳纳米管已经吸引了大量的关注。 这些材料被发现的结果，已经增加了集中于球形富勒烯如C6()、 070及 更少见的、更高级富勒烯如C76、 C78、 Cs2和Cs4上的知识体系。用于 大规模合成/制造SWNT的几种方法也已被全球各个研究团体开发出 来，几乎所有的方法都使用过渡金属催化剂以催化该过程。在这些催 化剂中，铁、钴和镍是相当常见的，而钼通常用作助催化剂。例如碳 纳米技术公司(Carbon Nanotechnologies Inc， CNI)使用的高压一氧化碳 (CO)(HiPCO)使用Fe作为催化剂。通常，用这些方法生产的碳纳米管 (CNT)—般都含有残留的催化金属和非管状碳质物种如无定形碳、微晶 炭黑或者石墨碳。例如自石墨棒经由电弧放电蒸发的富勒烯合成也可能导致碳和金属杂质的存在。这些杂质难以控制，并且大量掩埋在粉 状载体材料中，或者被催化金属以所谓的洋葱状(onionated)结构的形式 包围，因此难以除去。尽管在现有技术中进行了常规纯化实验方案的 持续努力，但是在利用目前使用的合成技术的所有SWNT制品中，仍 然存在大量上述杂质。这需要开发有效的、节省成本的和环境友好的 纯化方法，没有这样的方法将会限制这种独特材料的应用。用来纯化粗CNT的常规方法是用酸处理方法除去杂质，这种方法 是耗时的，并且通常需要数天的搅拌或者回流或者数小时的超声。而且，所有这些方法都导致纳米管的侧壁和顶端的化学官能化，引起纳 米管的物理性能改变或者退化以及缺陷诱导的结构损伤。所以，需要 快速和有效的纯化方法来溶解金属粒子以及相伴地氧化无定形碳结 构，而不损伤纳米管。对于这些材料的成功商业化，纳米管净化是关 键技术。电流方法有局限性，因为它们不能应对该方法中涉及的所有 复杂问题。也没有可直接适用的现成技术。适用的技术的重要特征应 当是能选择性除去金属、污染物和残留的非管状碳，而留下未损伤的 纳米管。工业实用性在 一些实施方式中，本专利技术描述了 一种用于从纳米碳制品中除去 残留的过渡金属催化剂和不期望的碳质材料的快速、有效和环境友好 的微波诱导的方法。
技术实现思路
本专利技术描述了用于从纳米碳制品中除去污染物、加工助剂和中间 体的方法，所述污染物、加工助剂和中间体不限于并包括催化金属像 铁、钴和镍以及不期望的碳。该纯化方法是在合适化学制剂的存在下 的微波辅助反应，所述合适化学制剂不限于但包括强酸如硝酸和硫酸， 弱酸像乙酸，弱碱如碳酸氢钠，强碱如氢氧化钾，及金属螯合剂像乙二胺四乙酸(EDTA)。在另一个实施方式中，还可以将以上化学制剂的混合物用于纯化。已经成功地采用了不同微波功率水平、反应压力和 时间下的微波反应。已经确定金属除去效率，并已经获得纯化的纳米管。在本专利技术的另一个方面中，在微波辐射下，在不限于但包括酸和 氧化剂的合适化学制剂中的微波反应已经用于从碳纳米管侧壁中除去 非管状碳结构以及其它污染物。参考以下附图、描述和所附的权利要 求，本专利技术的这些以及其它特征、方面和优点将变得更好理解。其它实施方式提供了用于纯化球形纳米碳制品如C6Q、 C7Q、更高 级的富勒烯和纳米洋葱的方法。这些制品的污染物包括炭黑、石墨、 无定形碳及甚至有些情况下的纳米管状碳。--些实施方式在合适的除 去剂的存在下，将球形纳米碳制品暴露于适量的微波辐射下。这些除 去剂包括但不限于强酸如硝酸和硫酸，弱酸如乙酸，弱碱如碳酸氢钠，强碱如氢氧化钾，以及金属螯合剂像乙二胺四乙酸(EDTA)。在一些实施方式中，该方法不会使纳米碳制品官能化。即，例如 该除去剂仅起从纳米碳制品中选择性或者非选择性地除去污染物的作 用。在这种实施方式中，纳米碳结构自身没有被该方法改性或者衍生。 在其它的实施方式中，纳米碳在所述方法中被改性。在那些实施方式 中，被改性的纳米碳显示出应用该方法的人期望或者对应用该方法的 人有用的性能。在其它的实施方式中，改性不显著，并且虽然改性了， 但是改性过的纳米碳仍是可接受的材料。附图说明图1: (a)原始的SWCNT制品的SEM图像，以及(b)在1M HN03 中微波辅助反应15分钟后的SWCNT的SEM图像，(c)原始的SWCNT 制品的TEM图像，以及(d)在1MHN03溶剂中微波除铁反应20分钟后 被纯化的SWNT的TEM图像(比例尺200nm)。图2: (a)原始的单壁碳纳米管(SWNT)的傅里叶变换红外光谱，(b) 在1M HN03中反应IO分钟除去催化剂金属后的SWNT的傅里叶变换 红外光谱，以及(c)从在硝酸-硫酸混合物中的高浓度SWNT溶液中蒸 发溶剂后获得的SWNT的傅里叶变换红外光谱。图3: (a)原始的多壁碳纳米管(MWNT)的傅里叶变换红外光谱，(b) 在1MCH3C00H+EDTA溶液中反应10分钟后的MWNT的傅里叶变换 红外光谱，以及(c)从在硝酸-硫酸混合物中的高浓度MWNT溶液中蒸 发溶剂后获得的MWNT的傅里叶变换红外光谱。图4: (a)所制备的在表面上存在无定形碳生长的多壁碳纳米管的 扫描电子显微镜图像，以及(b)在硝酸-硫酸混合物中低水平微波处理10分钟后的相同多壁碳纳米管样品的扫描电子显微镜图像。 具体实施例方式按照规定，在此处公开本专利技术的具体实施方式；然而，应当理解 所公开的实施方式仅仅是本专利技术的示例，而本专利技术可以以各种形式实 施。附图未必按比例绘制， 一些特征可能被放大以显示特定成分的细 节。因此，此处公开的特定结构和功能细节不应当看作是限制性的， 而是仅仅作为权利要求的基础以及作为用于教导本领域的技术人员不 同地使用本专利技术的代表性基础。在本专利技术的一些实施方式中，该方法涉及在纳米碳制品的污染物 与其它合适的试剂之间的微波辅助反应。这些试剂及其组合可以包括 但不限于强酸和弱酸、氧化剂、螯合剂以及它们的混合物。在其它的 实施方式中，还可以使用能够结合到金属上的其它化学制剂以及能够 氧化污染物碳的化学制剂来除去它们。用于该方法的酸包括但不限于 硝酸、盐酸、硫酸、有机酸如乙酸及其混合物和组合。氧化剂的实例 是过氧化氢。本专利技术的一些实施方式使用从纳米碳制品中除去至少一种污染物 的一部分的方法，该方法包括在至少一种除去剂的存在下对该纳米碳 制品进行微波辐射。 一部分表示一些或者所有的污染物能够被除去。 因而，在一些实施方式中，该制品显现出基本上被纯化，而在其它实 施方式中，该制品可以是仅部分地净化指定的污染物。纳米碳制品是 含有纳米尺寸碳的任意组合物，而不管如何制备，与组合物可能进行 过的任何处理无关。因而，本专利技术的实施方式能用于新近制备的富勒 烯和碳纳米管组合物，以及用于以其它方式被污染的此类组合物。可通过任何合适的源施加微波辐射。例如，在一些实施方式中， 本专利技术的方法可在微波炉如CEM型号205系统中进行。所述至少一种除去剂表示能够从碳纳米管制品除去至少一种污染 物的溶剂或者试剂。合适的除去本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种从纳米碳制品中除去至少一种污染物的一部分的方法，其包括：　在至少一种除去剂的存在下，对纳米碳制品进行微波辐射。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：索门纳特米特拉，陈育宏，
申请(专利权)人：新泽西理工学院，
类型：发明
国别省市：US[美国]