專利名稱：一種由含硝基有機(jī)爆炸物的爆炸制備碳納米管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種碳納米管的制備方法，具體地說(shuō)涉及一種由含硝基有機(jī)爆炸物的爆炸制備碳納米管的方法。
背景技術(shù)：
自從1991年發(fā)現(xiàn)碳納米管以來(lái)，碳納米管就以它奇特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)顯示出巨大的應(yīng)用前景，從而引起化學(xué)、物理和材料科學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。研究表明，碳納米管具有優(yōu)異的機(jī)械性能，其強(qiáng)度是鋼的近百倍，楊氏模量高達(dá)1TPa，并具有很好的可彎曲性，這些可使它作為復(fù)合材料的增強(qiáng)、增塑、增韌劑。碳納米管獨(dú)特的電性能使它可用于大規(guī)模集成電路、超導(dǎo)線材等領(lǐng)域。由于其獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)，它是目前最好的儲(chǔ)氫材料，在燃料電池汽車及其它需要大規(guī)模儲(chǔ)能的領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。它依靠超聲波高速(1萬(wàn)米/秒)傳遞熱量，并只在一維方向上傳遞，這使它可用作計(jì)算機(jī)芯片的導(dǎo)熱板，發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭等高溫部件的防護(hù)材料。同時(shí)，它還是制造場(chǎng)發(fā)射、微電極和SPM探針顯微鏡的針尖等的極好材料。但是，現(xiàn)在對(duì)于碳納米管的研究還處在實(shí)驗(yàn)室的水平，要使它得到實(shí)際應(yīng)用，關(guān)鍵在于解決它的工業(yè)化生產(chǎn)問題。
目前已經(jīng)開發(fā)出一些制備碳納米管的方法，主要有電弧放電法、碳?xì)浠衔锏拇呋療峤夥?、等離子體噴射分解沉積法和激光蒸發(fā)氣相催化沉積法等。電弧法、等離子法和激光法設(shè)備復(fù)雜、造價(jià)昂貴，只能用于實(shí)驗(yàn)室研究，難于規(guī)?；a(chǎn)。碳?xì)浠衔锏拇呋療峤夥ń陙?lái)研究和使用得較多，是一種最被人看好工業(yè)化的技術(shù)，但是仍存在以下問題(1)納米管的生長(zhǎng)決定于催化劑的粒徑，這就需要嚴(yán)格控制催化劑的粒度；(2)為將碳?xì)浠衔锛訜岬剿铚囟?＞700℃)，需要外加高溫?zé)嵩矗?3)碳納米管的生長(zhǎng)和產(chǎn)率受溫度、碳?xì)浠衔锏谋壤涂账俚纫蛩氐暮艽笥绊?，過程控制較為困難；(4)由于該方法主要采用負(fù)載金屬催化劑，載體的存在加大了純化和分離的難度。
基于上述原因Edwin Kroke等人利用爆炸法合成出碳納米管，但他們使用的炸藥2，4，6-三疊氮基三氮雜苯C3N12需特殊制備，成本高，不易得。從該化合物的分子式可以看出其碳含量相當(dāng)?shù)?，重量比僅為17.6％，反應(yīng)時(shí)又沒有添加其他物質(zhì)作為碳源，以致制得的碳納米管產(chǎn)率很低，使其應(yīng)用受到很大限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低成本、碳納米管產(chǎn)率高的制備碳納米管的方法。
本發(fā)明的制備方法是(1)將金屬鹽、含硝基有機(jī)爆炸物及含碳添加物按重量比為金屬鹽∶含硝基有機(jī)爆炸物∶含碳添加物＝1∶3-30∶0-5混合作為反應(yīng)物；(2)將反應(yīng)物以0.1-0.5克/毫升的裝填密度裝入一密封的不銹鋼反應(yīng)器，將反應(yīng)器加熱到220-420℃發(fā)生爆炸，待反應(yīng)器冷卻后，排空氣體，收集固體產(chǎn)物。
如上所述含硝基有機(jī)爆炸物包括苦味酸、間二硝基苯、梯恩梯等；金屬鹽是鐵、鈷、鎳的甲酸鹽、乙酸鹽、草酸鹽、碳酸鹽等；含碳添加物包括萘、菲、蒽、聯(lián)萘酚、硬脂酸等。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)所用炸藥及其它原料廉價(jià)易得，有利于降低成本。
(2)可在較低的溫度下操作，能耗低。
(3)起催化作用的金屬納米顆粒，在爆炸過程中原位、實(shí)時(shí)形成，省去了催化劑的預(yù)制備過程。
(4)合成的碳納米管含量較高，一般在40-90％。
(5)反應(yīng)所需時(shí)間較短，有利于快速合成。
(6)合成反應(yīng)工藝流程簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，影響因素少，便于控制，重現(xiàn)性好，可連續(xù)化或半連續(xù)化操作，易于規(guī)?；a(chǎn)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
稱取2.00克苦味酸、0.39克菲和0.11克乙酸鈷，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應(yīng)器。加熱至313.0℃發(fā)生爆炸，瞬間壓力達(dá)40MPa，平衡壓力為20MPa。停止加熱后自然冷卻。將氣態(tài)產(chǎn)物排出，收集固體產(chǎn)品，所得樣品重0.55克。在透射電鏡(TEM)下觀察，納米管的量約占90％，管長(zhǎng)0.5-20μm，管徑分布為20-30nm。
實(shí)施例2稱取1.00克苦味酸、0.26克蒽和0.26克甲酸鎳，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應(yīng)器。加熱至340.7℃發(fā)生爆炸，瞬間壓力達(dá)30MPa，平衡壓力為16MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態(tài)產(chǎn)物排出，收集固體產(chǎn)品，所得樣品重0.30克。在透射電鏡(TEM)下觀察，納米管量約為60％，其長(zhǎng)度0.2-10μm，管徑分布為20-30nm。
實(shí)施例3稱取2.70克間二硝基苯、0.26克萘和0.11克碳酸鈷，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應(yīng)器。加熱至414.8℃發(fā)生爆炸，瞬間壓力達(dá)60MPa，平衡壓力為20MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態(tài)產(chǎn)物排出，收集固體產(chǎn)品，所得樣品重0.88克。在透射電鏡(TEM)下觀察，納米管量約為50％，管長(zhǎng)0.3-12μm，管徑分布為30-40nm。
實(shí)施例4稱取2.00克苦味酸、0.42克聯(lián)萘酚和0.10克乙酸鈷，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應(yīng)器。加熱至321.6℃發(fā)生爆炸，瞬間壓力達(dá)40MPa，平衡壓力為20MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態(tài)產(chǎn)物排出，收集固體產(chǎn)品，所得樣品重0.34克。通過透射電鏡(TEM)可觀察到納米管量約為80％，管長(zhǎng)0.3-25μm，管徑分布為20-30nm。
實(shí)施例5稱取2.00克梯恩梯、0.26克菲和0.07克甲酸鎳，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應(yīng)器。加熱至227.4℃發(fā)生爆炸，瞬間壓力達(dá)40MPa，平衡壓力為18MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態(tài)產(chǎn)物排出，收集固體產(chǎn)品，所得樣品重0.15克。經(jīng)透射電鏡(TEM)觀察分析，樣品中約有50％是納米管，管長(zhǎng)0.3-10μm，管徑分布為20-30nm。
實(shí)施例6稱取1.07克間二硝基苯、0.20克乙酸鈷，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應(yīng)器。加熱至395.0℃發(fā)生爆炸，瞬間壓力達(dá)35MPa，平衡壓力為15MPa，停止加熱后自然冷卻，將氣態(tài)產(chǎn)物排出，收集固體產(chǎn)品，產(chǎn)物重0.62克。經(jīng)透射電鏡(TEM)觀察，納米管的量約占45％，管長(zhǎng)0.5-12μm，管徑分布為30-40nm。
實(shí)施例7稱取1.00克苦味酸、0.33克蒽和0.33克乙酸鎳，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應(yīng)器。加熱至326.9℃發(fā)生爆炸，瞬間壓力達(dá)30MPa，平衡壓力為13MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態(tài)產(chǎn)物排出，收集固體產(chǎn)品。制得的樣品重0.54克。將它置于透射電鏡(TEM)下觀察，可見納米管的量約40％，管長(zhǎng)0.5-12μm，管徑分布為20-30nm。
實(shí)施例8稱取1.50克梯恩梯、0.19克萘和0.22克草酸鈷，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應(yīng)器。加熱至246.3℃發(fā)生爆炸，瞬間壓力達(dá)40MPa，平衡壓力為16MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態(tài)產(chǎn)物排出，收集固體產(chǎn)品，樣品重0.21克，經(jīng)透射電鏡(TEM)觀察，納米管量約占55％，管長(zhǎng)0.5-15μm，管徑分布為20-30nm。
實(shí)施例9稱取1.40克間二硝基苯和0.20克碳酸鐵，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應(yīng)器。加熱至416.3℃發(fā)生爆炸，瞬間壓力達(dá)40MPa，平衡壓力為20MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態(tài)產(chǎn)物排出，收集固體產(chǎn)品，樣品重1.08克。在透射電鏡(TEM)下能觀察到約有40％是納米管，管長(zhǎng)0.1-14μm，管徑分布為30-40nm。
實(shí)施例10稱取2.00克苦味酸、0.62克硬脂酸和0.23克四水合乙酸鈷，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應(yīng)器。加熱至334.6℃發(fā)生爆炸，瞬間壓力達(dá)40MPa，平衡壓力為20MPa。停止加熱后水冷，將氣態(tài)產(chǎn)物排出，收集固體產(chǎn)品，產(chǎn)物重0.76克。用透射電鏡(TEM)觀察樣品，發(fā)現(xiàn)納米管的量約占60％，其長(zhǎng)度為0.3-15μm，管徑分布為20-30nm。
實(shí)施例11稱取1.50克梯恩梯、0.27克聯(lián)萘酚和0.05克草酸鎳，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應(yīng)器。加熱至253.2℃發(fā)生爆炸，瞬間壓力達(dá)40MPa，平衡壓力為20MPa。停止加熱后水冷，將氣態(tài)產(chǎn)物排出，收集固體產(chǎn)品，產(chǎn)物重0.36克。用透射電鏡(TEM)觀察樣品，發(fā)現(xiàn)納米管的量約占50％，管長(zhǎng)0.5-14μm，管徑分布為20-30nm。
實(shí)施例12稱取1.50克梯恩梯、0.30克菲和0.20克碳酸鐵，混合均勻，裝入體積為10毫升的反應(yīng)器。加熱至260.5℃發(fā)生爆炸，瞬間壓力達(dá)40MPa，平衡壓力為18MPa。停止加熱后自然冷卻，將氣態(tài)產(chǎn)物排出，收集固體產(chǎn)品，產(chǎn)物重0.51克。用透射電鏡(TEM)觀察樣品，發(fā)現(xiàn)納米管的量約占40％，管長(zhǎng)0.2-13μm，管徑分布為20-30nm。
權(quán)利要求
1.一種由含硝基有機(jī)爆炸物的爆炸制備碳納米管的方法，其特征在于制備方法是(1)將金屬鹽、含硝基有機(jī)爆炸物及含碳添加物按重量比為金屬鹽∶含硝基有機(jī)爆炸物∶含碳添加物＝1∶3-30∶0-5混合作為反應(yīng)物；(2)將反應(yīng)物以0.1-0.5克/毫升的裝填密度裝入一密封的不銹鋼反應(yīng)器，將反應(yīng)器加熱到220-420℃發(fā)生爆炸，待反應(yīng)器冷卻后，排空氣體，收集固體產(chǎn)物。
2.如權(quán)利要求1所述的一種由含硝基有機(jī)爆炸物的爆炸制備碳納米管的方法，其特征在于所述的含硝基有機(jī)爆炸物包括苦味酸、間二硝基苯或梯恩梯。
3.如權(quán)利要求1所述的一種由含硝基有機(jī)爆炸物的爆炸制備碳納米管的方法，其特征在于所述的金屬鹽是鐵、鈷、鎳的甲酸鹽、乙酸鹽、草酸鹽或碳酸鹽
4.如權(quán)利要求1所述的一種由含硝基有機(jī)爆炸物的爆炸制備碳納米管的方法，其特征在于所述的含碳添加物包括萘、菲、蒽、聯(lián)萘酚或硬脂酸。
全文摘要
一種由含硝基有機(jī)爆炸物的爆炸制備碳納米管的方法，是將金屬鹽、含硝基有機(jī)爆炸物及含碳添加物按重量比為金屬鹽∶含硝基有機(jī)爆炸物∶含碳添加物＝1∶3－30∶0－5混合作為反應(yīng)物；將反應(yīng)物以0.1－0.5克/毫升的裝填密度裝入一密封的不銹鋼反應(yīng)器，將反應(yīng)器加熱到220－420℃發(fā)生爆炸，待反應(yīng)器冷卻后，排空氣體，收集固體產(chǎn)物。本發(fā)明作為碳納米管的制備原料來(lái)源豐富，爆炸過程、工藝和設(shè)備簡(jiǎn)單，能耗低，耗時(shí)短，金屬催化劑原位、實(shí)時(shí)形成，無(wú)需預(yù)制備，碳納米管的產(chǎn)率高，便于連續(xù)化放大生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C01B31/00GK1428295SQ01131678
公開日2003年7月9日 申請(qǐng)日期2001年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月27日
發(fā)明者朱珍平, 盧怡, 吳衛(wèi)澤, 劉振宇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所