專利名稱：原位合成金屬鎳納米粒子包覆碳納米管的復合材料的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用原位化學氣相沉積還原法合成金屬鎳納米粒子包覆填充碳納米管的 復合材料的方法，屬氣相沉積及化學方法制備新型復合材料技術領域。
技術背景將金屬納米粒子填充至碳納米管中，這種復合材料不僅改變了碳納米管的性質(zhì)，也 改變了金屬納米材料本身的性質(zhì)，研究表明，這種復合材料具有特殊的化學與物理特性， 如更好的導電性能、光學性能以及機械性能等，具有廣闊而有潛在的應用前景。Ajavan和Iijima在1993年報道了利用毛細管作用使金屬填充至碳納米管的方法 (Ajavan, P.M.; Iijima, S. Nature, 1993, 361:333)，之后這種毛細管作用原理的方法被廣泛 應用在制備碳納米管包覆的金屬納米粒子復合材料上(①Kumar, T.P.; Ramesh, R.; Lin, Y.Y.; Fey, G.T.K. Electrochem. Co薩un.， 2004, 6: 520;②Zhao， L; Gao, L.; Carbon, 2004, 42: 3269;③Tyagi, P.K., Singh M.K.， Misra A， Palnitkar U, Misra D.S., Titus E， Ali, N, Cabral G Gracio J, Roy, M, Kulshreshtha, S.K., Thin Solid Films, 2004, 469: 127)。這種方法 通常需要預先得到碳納米管，然后將碳納米管浸漬在熔融態(tài)的或者包含金屬前驅(qū)體的水 溶液中，利用毛細管作用將金屬前驅(qū)體吸入碳納米管的管腔中，然后再進行適當?shù)暮罄m(xù) 處理使前驅(qū)體轉變?yōu)槟繕水a(chǎn)物。由于碳納米管的直徑很小也就是開口很小(小于幾百個 納米)，而長度卻可以輕易達到幾個甚至幾十個微米，填充在碳納米管內(nèi)部的金屬納米 粒子很不均勻，填充效率也不高，大量的金屬前驅(qū)體不可避免地會粘附在碳納米管的外 管壁上，從而導致得到的碳納米管包覆以金屬納米粒子的復合材料結構純度不高，產(chǎn)率 很低。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是采用化學氣相沉積法及化學還原反應，使碳納米管的形成和金屬納 米粒子的生成在同一時間內(nèi)原位同時獲得，由此得到金屬納米粒子包覆和填充碳納米管 的復合材料；本發(fā)明另一目的就是提供制備該復合材料的工藝方法。本發(fā)明一種原位合成金屬鎳納米粒子包覆填充碳納米管的復合材料的方法，其特征 在于具有以下的工藝過程和步驟a.氧化鋁薄膜模板的填充將多孔陽極氧化鋁薄膜模板放置在0.1M的CiCl2水溶 液中，浸漬時間為5小時，然后放于烘箱中干燥，干燥溫度為70°C，千燥時間為5小時; 由此得到填充有金屬鎳氯化物溶液的氧化鋁薄膜模板；所述的多孔陽極氧化鋁薄膜模板的平均孔徑為20nm;b.氧化鋁薄膜模板的熱處理將上述的填充有氯化鎳的氧化鋁模板放置于管式爐 內(nèi)，通入C2H2和N2的混合氣，混合氣中C2H2和N2的體積比為C2H2: N2=l: 9;通入混氣的流量為2000113/秒；同時，以3 10。C/分鐘的升溫速率加熱至60(TC,并在此 溫度持續(xù)加熱5小時；繼續(xù)通入混合氣直至管式爐冷卻至室溫，即自然冷卻至室溫20 °C;然后用濃度為5N的NaOH溶液去除氧化鋁薄膜模板，溶解持續(xù)時間為5小時；然 后收集不溶物質(zhì)，經(jīng)洗滌和干燥后即得金屬鎳納米粒子填充包覆碳納米管的復合材料。 本發(fā)明提供了一種新型的包覆填充方法，這種方法不需要使用預先得到的碳納米 管，而是利用碳納米管的形成和金屬納米粒子的制備在同一時間內(nèi)原位同時得到。本發(fā)明采用化學氣相沉積法，使碳源C2H2氣體均勻通過含有了氯化鎳的氧化鋁模板孔道內(nèi)， 一方面，氯化鎳被C2H2還原生成金屬納米粒子，另一方面，C2H2受氧化鋁模板內(nèi)表面的催化分解沉積在內(nèi)表面上形成碳納米管。由于碳納米管是緊貼氧化鋁模板內(nèi)表面生 長，這樣從形成機理上所有在氧化鋁內(nèi)腔里還原得到的鎳金屬納米粒子全部包覆了原位 生長的碳納米管所包覆，最終形成了碳納米管完全包覆以鎳金屬納米粒子的新穎結構。 該方法克服了利用毛細管作用制備的低填充效率，低產(chǎn)物結構純度的弊端，可以高效率 的得到結構純度達到 100%的碳納米管完全包覆以金屬納米粒子復合材料。
圖1為使用原位化學氣相沉積還原法得到的碳納米管包覆以鎳金屬納米粒子的場發(fā) 射掃描電鏡(FESEM)照片。圖2為使用原位化學氣相沉積還原法得到的碳納米管包覆以鎳金屬納米粒子的透射 電鏡(TEM)照片。
具體實施方式
現(xiàn)將本發(fā)明的具體實施例敘述于后。實施例一取一多孔陽極氧化鋁薄膜(孔徑約為200nm)在0.1 M的NiCl2水溶液 中放置5小時，接著在烘箱中7(TC干燥5小時，接著將氧化鋁薄膜置于管式爐中加熱， 并通入200cmV秒的10% C2H2和90% N2組成的混合氣體，以3 10'C/分鐘升溫速率加 熱至60(TC，持續(xù)5小時，繼續(xù)通混合氣直至管式爐自然冷卻至室溫，然后用5.0M的 NaOH水溶液浸泡5小時去除氧化鋁薄膜，收集剩下不溶物，用大量去離子水洗滌，干 燥產(chǎn)物，最終得到的粉末就是200nm碳納米管包覆以6-10 nm的Ni金屬納米粒子的復 合材料。圖1為本實施制備的得到的碳納米管包覆以Ni金屬納米粒子的場發(fā)射掃描電鏡 (FESEM)照片，從圖中可以看到直徑約為200nm的碳納米管陣列，在碳納米管層內(nèi) 可依稀見到許多的微小的Ni金屬納米粒子。Ni的組分構成通過X射線衍射(XRD)可 以得到證實。圖2為本實施制備的得到的碳納米管包覆以Ni金屬納米粒子的透射電鏡(TEM) 照片，進一步表明圖1中見到的Ni納米粒子已填充到了碳納米管中。從圖中可以發(fā)現(xiàn): 粒徑為6—10 nm的Ni納米粒子均勻地分散在碳納米管管腔內(nèi)，而不是負載在納米管的 外壁上，該碳納米管包覆結構的結構純度可高達 100%。
權利要求
1.一種原位合成金屬鎳納米粒子包覆填充碳納米管的復合材料的方法，其特征在于具有以下的工藝過程和步驟a.氧化鋁薄膜模板的填充將多孔陽極氧化鋁薄膜模板放置在0.1M的CiCl2水溶液中，浸漬時間為5小時，然后放于烘箱中干燥，干燥溫度為70℃，干燥時間為5小時；由此得到填充有金屬鎳氯化物溶液的氧化鋁薄膜模板；所述的多孔陽極氧化鋁薄膜模板的平均孔徑為20nm；b.氧化鋁薄膜模板的熱處理將上述的填充有氯化鎳的氧化鋁模板放置于管式爐內(nèi)，通入C2H2和N2的混合氣，混合氣中C2H2和N2的體積比為C2H2∶N2＝1∶9；通入混氣的流量為200cm3/秒；同時，以3～10℃/分鐘的升溫速率加熱至600℃，并在此溫度持續(xù)加熱5小時；繼續(xù)通入混合氣直至管式爐冷卻至室溫，即自然冷卻至室溫20℃；然后用濃度為5N的NaOH溶液去除氧化鋁薄膜模板，溶解持續(xù)時間為5小時；然后收集不溶物質(zhì)，經(jīng)洗滌和干燥后即得金屬鎳納米粒子填充包覆碳納米管的復合材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及原位化學氣相還原法合成金屬鎳納米粒子包覆填充碳納米管的復合材料的方法，屬氣相沉積及化學方法制備新型復合材料技術領域。本發(fā)明方法的特點是采用多孔陽極氧化鋁薄模板，利用氧化鋁薄膜具有許多孔徑為200nm的孔道內(nèi)腔，在該處原填充有的氯化鎳溶液在C<sub>2</sub>H<sub>2</sub>和N<sub>2</sub>混合氣存在的條件下，并在高溫600℃條仵發(fā)生還原反應得到金屬鎳納米粒子以及原位生長的碳納米管，而且最終形成了碳納米管完全包覆和填充以金屬鎳納米粒子新型結構的復合材料。本發(fā)明方法不需要預先制得碳納米管，而是利用碳納米管的形成和金屬鎳納米粒子生成在同一時間內(nèi)原位同時得到的。
文檔編號C23C16/06GK101215691SQ200810032419
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月8日 優(yōu)先權日2008年1月8日
發(fā)明者吳明紅, 唐軍軍, 正 焦, 勇 王 申請人:上海大學