專利名稱：一種樹狀碳納米管的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米材料的制備方法，尤其涉及一種樹狀碳納米管的制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種新型結(jié)構(gòu)的碳納米管——樹狀碳納米管及其制備方法。采用一定的催化劑和工藝方法，無須任何模板，直接生長(zhǎng)出具有二維結(jié)或三維結(jié)的樹狀碳納米管。這種具有新奇結(jié)構(gòu)的碳納米管可以用于以碳管為基礎(chǔ)的納米電路。
本發(fā)明提供的一種樹狀碳納米管均是由主干及從主干出發(fā)多重分叉的分支組成，管直徑為10～100納米，長(zhǎng)度為1～300微米。該納米碳管具有二維的結(jié)或三維的結(jié)。
本發(fā)明用于制備樹狀碳納米管的裝置采用常規(guī)反應(yīng)設(shè)備，主要由反應(yīng)器，配氣系統(tǒng)，控溫系統(tǒng)組成(1)反應(yīng)器由石英管和管式電爐組成；(2)配氣系統(tǒng)是由氣路和氣體質(zhì)量流量計(jì)組成，可以控制載氣的種類、流量、比例；(3)控溫系統(tǒng)是由程序控溫儀組成。
本發(fā)明提供的一種樹狀碳納米管的制備方法，依如下順序步驟進(jìn)行a.催化劑的制備將鈷鹽溶于醇中，將催化劑載體氧化鎂浸入上述鈷鹽的醇溶液中，超聲分散，一般0.5～2小時(shí)即可，使氧化鎂粉末在醇溶液中分散均勻。然后蒸發(fā)(可以采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀等)除去溶劑得到淺蘭色的塊狀固體物。將該塊狀固體物干燥后得到白色塊狀固體物，干燥條件優(yōu)選溫度為100℃～200℃；時(shí)間為5～20小時(shí)。最后碾成80～150目的粉末以供使用，其中催化劑的含量以單質(zhì)鈷的重量計(jì)在1％～6％。
所述鈷鹽為硝酸鈷、硫酸鈷、乙酸鈷；所述醇為乙醇、甲醇等。
所述鈷鹽與醇的重量比優(yōu)選為1∶50～200，最優(yōu)為1∶100～150；鈷元素與氧化鎂的重量比優(yōu)選為1～6∶100，最優(yōu)為1～3∶100。
b.樹狀碳納米管的制備將裝有催化劑的石英舟置于石英管中，通入氫氣直至趕凈反應(yīng)系統(tǒng)中的空氣。接著升溫至850℃～1100℃。然后通入甲烷氣體進(jìn)行反應(yīng)后，切斷甲烷氣體和電源，但繼續(xù)通氫氣，使產(chǎn)物在氫氣氛中冷卻。最后采用常規(guī)方法酸化，洗滌，真空干燥得到樹狀碳納米管產(chǎn)品。
進(jìn)一步講，可采用以下具體方案將裝有催化劑的石英舟置于石英管的中部，催化劑的體積為石英舟容量的1/5～4/5。通入流量為每分鐘20～150毫升的氫氣直至趕凈反應(yīng)系統(tǒng)中的空氣。接著在5～15分鐘內(nèi)升溫至850℃～1100℃。然后改變氫氣的流量，并且通入甲烷氣體，氫氣/甲烷的體積比在2～8∶1，優(yōu)選為3～5∶1，氫氣/甲烷的體積最佳比為4∶1，總氣體流量為每分鐘100～600毫升，優(yōu)選為200～400毫升。維持反應(yīng)1～20分鐘后，切斷甲烷氣體和電源，但繼續(xù)通氫氣，使產(chǎn)物在氫氣氛中冷卻。最后采用常規(guī)方法用濃鹽酸酸化，洗滌，真空干燥得到樹狀碳納米管產(chǎn)品。
本發(fā)明提供的一種樹狀碳納米管的特征和優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明提供的樹狀碳納米管是由主干及許多分支組成，這些分支來源于主干，重復(fù)產(chǎn)生分叉。
2.本發(fā)明提供的樹狀碳納米管既含有二維的結(jié)又含有三維的結(jié)。
3.本發(fā)明提供的樹狀碳納米管的管直徑分布均勻，一般在10～100納米，長(zhǎng)度為1～300微米。
4.本發(fā)明提供的樹狀碳納米管的結(jié)構(gòu)新奇獨(dú)特，具有特殊的電學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，是一種構(gòu)筑納米器件理想的材料。
5.本發(fā)明方法制備樹狀碳納米管，操作容易，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，宜于工業(yè)化生產(chǎn)。
實(shí)施例1將0.356克六水硝酸鈷溶于50ml無水乙醇中，再加入5克氧化鎂粉末?；旌衔锍?小時(shí)使溶液混合均勻。然后通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去溶劑，緊接著在130℃下干燥13小時(shí)以獲得完全干燥的催化劑。將該干燥后的固體混合物碾成較細(xì)的粉末。這樣得到含鈷元素重量百分比為1.25％的催化劑。如圖裝置(管式爐由北京電爐廠生產(chǎn)，型號(hào)為SK2-4-13)所示，將一裝有2克上述催化劑的石英舟(5毫升)置于石英管中部，連接好配氣系統(tǒng)，以每分鐘300毫升的流量通入氫氣，設(shè)置溫度為1000℃，迅速將溫度升至1000℃(12分鐘內(nèi))，以每分鐘75毫升的流量通入甲烷氣體，反應(yīng)10分鐘后，切斷甲烷氣源及電源，繼續(xù)通氫氣使產(chǎn)品在氫氣分中冷卻。將冷卻的粗產(chǎn)品用50毫升的濃鹽酸處理以除去氧化鎂及金屬鈷，再用蒸餾水洗滌直至中性，隨后在70℃下真空干燥。碳納米管的形貌、長(zhǎng)度、直徑大小及純度分別用掃描電子顯微鏡照片(圖2，圖3)測(cè)得。從圖2可以知道所得的產(chǎn)品中，包括Y形、T形、H形等具有二維結(jié)的各種形狀單分叉的碳納米管，還有大量的產(chǎn)品呈現(xiàn)出樹狀，這些樹狀的碳納米管既含有二維的結(jié)又含有三維的結(jié)。圖3所示是典型的樹狀的碳納米管，該樹狀碳納米管直徑為38納米。實(shí)施例2按照實(shí)施例1的制備方法，只是將六水硝酸鈷的質(zhì)量換為0.712克獲得2.5％的催化劑，采用該催化劑制得含樹狀碳納米管為80％的產(chǎn)品。實(shí)施例3按照實(shí)施例2的制備方法，只是將混合總的氣體流量調(diào)節(jié)為每分鐘300毫升，氫氣和甲烷的體積比調(diào)節(jié)為4∶1，制得的直徑為52納米的樹狀碳納米管且其含量達(dá)75％。實(shí)施例4按照實(shí)施例1的制備方法，只是將0.356克六水硝酸鈷換為0.251克七水硫酸鈷獲得1.25％的催化劑，采用該催化劑制得的直徑為43納米的樹狀碳納米管且其含量達(dá)70％。實(shí)施例5按照實(shí)施例1的制備方法，只是將0.356克六水硝酸鈷換為0.305克四水乙酸鈷獲得1.25％的催化劑，采用該催化劑制得的直徑為45納米的樹狀碳納米管且其含量達(dá)70％。實(shí)施例6按照實(shí)施例1的制備方法，只是將乙醇換為甲醇制得的直徑為39納米的樹狀碳納米管且其含量達(dá)80％。實(shí)施例7按照實(shí)施例4的制備方法，只是將乙醇換為甲醇制得的直徑為45納米的樹狀碳納米管且其含量達(dá)75％。實(shí)施例8按照實(shí)施例5的制備方法，只是將乙醇換為甲醇制得的直徑為45納米的樹狀碳納米管且其含量達(dá)70％。
權(quán)利要求
1.一種樹狀碳納米管的制備方法，依如下順序步驟進(jìn)行a.催化劑的制備將鈷鹽溶于醇中，將催化劑載體氧化鎂浸入上述鈷鹽的醇溶液中，超聲分散，然后蒸發(fā)除去溶劑得到淺蘭色的塊狀固體物，將該塊狀固體物干燥后得到白色塊狀固體物，碾成80～150目的粉末以供使用；其中催化劑的含量以單質(zhì)鈷的重量計(jì)在1％～6％；b.樹狀碳納米管的制備將裝有催化劑的石英舟置于石英管中，通入氫氣直至趕凈反應(yīng)系統(tǒng)中的空氣，接著升溫至850℃～1100℃。然后通入甲烷氣體進(jìn)行反應(yīng)后，切斷甲烷氣體和電源，但繼續(xù)通氫氣，使產(chǎn)物在氫氣氛中冷卻，最后采用常規(guī)方法酸化，洗滌，真空干燥得到樹狀碳納米管產(chǎn)品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于所述鈷鹽與醇的重量比為1∶50～200；鈷元素與氧化鎂的重量比為1～6∶100。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的制備方法，其特征在于所述鈷鹽與醇的重量比為1∶100～150；鈷元素與氧化鎂的重量比為1～3∶100。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一的制備方法，其特征在于所述鈷鹽為硝酸鈷、硫酸鈷、乙酸鈷；所述醇為乙醇、甲醇。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一的制備方法，其特征在于步驟b樹狀碳納米管的制備過程如下將裝有催化劑的石英舟置于石英管的中部，催化劑的體積為石英舟容量的1/5～4/5。通入流量為每分鐘20～150毫升的氫氣直至趕凈反應(yīng)系統(tǒng)中的空氣，然后改變氫氣的流量，并且通入甲烷氣體，氫氣/甲烷的體積比在2～8∶1，總氣體流量為每分鐘100～600毫升，維持反應(yīng)1～20分鐘后，切斷甲烷氣體和電源，但繼續(xù)通氫氣，使產(chǎn)物在氫氣氛中冷卻，最后采用常規(guī)方法用濃鹽酸酸化，洗滌，真空干燥得到樹狀碳納米管產(chǎn)品。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的制備方法，其特征在于所述氫氣/甲烷的體積比為3～5∶1。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的制備方法，其特征在于所述氫氣/甲烷的體積比為4∶1。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的制備方法，其特征在于所述總氣體流量為每分鐘200～400毫升。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種樹狀碳納米管的制備方法，依如下順序步驟進(jìn)行a.催化劑的制備將鈷鹽溶于醇中，將催化劑載體氧化鎂浸入上述鈷鹽的醇溶液中，超聲分散，使氧化鎂粉末在醇溶液中分散均勻。然后蒸發(fā)、干燥后碾成80～150目的粉末。b.樹狀碳納米管的制備將裝有催化劑的石英舟置于石英管中，通入氫氣直至趕凈反應(yīng)系統(tǒng)中的空氣；接著升溫至850℃～1100℃。然后通入甲烷氣體進(jìn)行反應(yīng)后，在氫氣氛中冷卻；最后采用常規(guī)方法酸化，洗滌，真空干燥即可。本發(fā)明操作容易，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，宜于工業(yè)化生產(chǎn)，所制備的樹狀碳納米管具有特殊的電學(xué)和力學(xué)性質(zhì)，是一種構(gòu)筑納米器件理想的材料。
文檔編號(hào)C01B31/00GK1463920SQ02122640
公開日2003年12月31日 申請(qǐng)日期2002年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月18日
發(fā)明者劉云圻, 胡平安, 王賢保, 王彪, 朱道本 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所