專利名稱：一種納米碳材料的處理方法
技術領域：
本發(fā)明涉及納米材料技術領域，更具體地說，涉及一種納米碳材料的處理方法。
背景技術：
納米碳材料是指分散相尺度至少有一維小于IOOnm的碳材料。包括碳納米管、碳納米纖維、介孔碳和石墨烯等。作為納米碳材料的重要組成部分，碳納米管(CNTs)是一維納米碳材料，具有優(yōu)異的物理、化學性質，如低密度、高模量、高強度、良好的導電性等，因此在基礎研究和應用領域受到廣泛的關注。根據(jù)碳納米管中管壁的碳原子的層數(shù)可以分為單壁碳納米管(SWNT)和多壁碳納米管(MWNT)，多壁碳納米管(MWNT)由不同直徑的單壁碳納米管(SWNT)套裝而成。在碳納米管(CNTs)的制備過程中需要使用大量的金屬催化劑以及非碳管碳等， 該金屬催化劑以及非碳管碳等殘留在制備得到的碳納米管表面形成雜質。碳納米管表面的雜質嚴重阻礙了碳納米管在各個領域中的應用。目前，對碳納米管的純化處理方法已有很多文獻報道，例如，在高真空條件下對碳納米管煅燒，得到較高純度的碳納米管。但是，該方法反應條件苛刻，反應時間長，不易對碳納米管大批量處理。常用的對碳納米管的純化方法還包括酸處理方法，即采用氧化性酸溶液，如硝酸溶液、硫酸溶液等對碳納米管進行處理。酸處理能去除碳納米管中的金屬催化齊U、氧化物催化齊 、無定形碳等雜質，從而達到純化的目的。例如，現(xiàn)有技術中公開了一種碳納米管的純化方法，該純化方法采用濃度為100 1000ml/g的強酸溶液作為氧化劑，在高溫狀態(tài)下，對碳納米管進行幾十小時的加熱回流反應。但是，該純化方法在對碳納米管的處理過程中，采用的氧化劑用量大、反應時間長，不適合大批量生產。

發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明要解決的技術問題在于提供一種納米碳材料的處理方法，該處理方法可以對納米碳材料純化，氧化劑用量少，反應時間短。本發(fā)明提供一種納米碳材料的處理方法，包括在120 200°C下，將納米碳材料與氣態(tài)氧化劑在密閉容器中反應，所述氣態(tài)氧化劑為鹽酸和/或硝酸。優(yōu)選的，所述反應溫度為160 200°C。優(yōu)選的，所述反應時間為0. 5 5小時。優(yōu)選的，所述反應時間為2 5小時。優(yōu)選的，所述納米碳材料為碳納米管、碳納米纖維、介孔碳或石墨烯。優(yōu)選的，所述氣態(tài)氧化劑由如下方法制備將濃鹽酸和/或濃硝酸加入密閉容器中，加熱。優(yōu)選的，常溫下所述鹽酸的質量濃度為37% 38%。優(yōu)選的，常溫下所述鹽酸與所述納米碳材料的體積質量比為0.3 IOml Igo
優(yōu)選的，常溫下所述硝酸的質量濃度為67% 68%。

優(yōu)選的，常溫下所述硝酸與所述納米碳材料的體積質量比為0.5 IOml Igo從上述的技術方案可以看出，本發(fā)明提供一種納米碳材料的處理方法，包括在 120 200°C下，將納米碳材料與氣態(tài)氧化劑在密閉容器中反應，所述氣態(tài)氧化劑為鹽酸和 /或硝酸。本發(fā)明采用氣態(tài)氧化劑與納米碳材料反應的方法，由于氧化劑以氣體分子形式存在，因此具備更高的氧化性，能夠與所述納米碳材料表面雜質充分、快速反應，從而能夠實現(xiàn)對納米碳材料的高效處理，達到對納米碳材料純化的目的。同時，與現(xiàn)有技術中將納米碳材料與氧化劑在液相中反應相比，本發(fā)明采用的氣態(tài)氧化劑所彌漫區(qū)域比氣態(tài)氧化劑彌漫區(qū)域大得多，有利于納米碳材料與氣態(tài)氧化劑反應，加速納米碳材料的純化。因此，本發(fā)明提供的納米碳材料的處理方法能夠很好的對碳納米材料純化，氧化劑用量少，反應時間短。


為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明實施例1處理的碳納米管的氧化時間曲線；圖2為本發(fā)明實施例2處理的碳納米管的氧化時間曲線；圖3為本發(fā)明實施例3處理的碳納米管的氧化時間曲線；圖4為本發(fā)明實施例4處理的碳納米管的氧化時間曲線；圖5為本發(fā)明實施例5處理的碳納米管的氧化時間曲線；圖6為本發(fā)明提供的碳納米管的表面基團的紅外圖譜；圖7為本發(fā)明實施例中采用的待處理的碳納米管的掃描電鏡圖片；圖8為本發(fā)明實施例6處理后的去除了金屬雜質的碳納米管的掃描電鏡圖片；圖9為本發(fā)明實施例7處理后的碳納米管的掃描電鏡圖片；圖10為本發(fā)明實施例8采用的長為10微米左右的碳納米管的掃面電鏡圖片；圖11為本發(fā)明實施例8處理后的碳納米管的掃描電鏡圖片。
具體實施例方式下面對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。本發(fā)明公開了一種納米碳材料的處理方法，包括在120 200°C下，將納米碳材料與氣態(tài)氧化劑在密閉容器中反應，所述氣態(tài)氧化劑為鹽酸和/或硝酸。本發(fā)明采用的鹽酸和硝酸在常溫下為液態(tài)，本發(fā)明采用的鹽酸常溫下的質量濃度為37% 38%，常溫下所述鹽酸與所述納米碳材料的體積質量比優(yōu)選為0.3 IOml Ig, 更優(yōu)選為1 IOml lg，最優(yōu)選為2 8ml Igo本發(fā)明采用的硝酸常溫下的質量濃度為67% 68%，常溫下所述硝酸與所述納米碳材料的體積質量比優(yōu)選為0. 5 IOml Ig, 更優(yōu)選為2 IOml lg，最優(yōu)選為2 8ml Igo所述氣態(tài)氧化劑優(yōu)選按照如下方法制備將鹽酸和/或硝酸加入密閉容器中，力口熱。本發(fā)明采用的反應溫度為120 200°C，優(yōu)選為160 200°C，更優(yōu)選為170 200°C ； 所述反應時間 優(yōu)選為0. 5 5小時，更優(yōu)選為1 5小時，最優(yōu)選為1 3小時。本發(fā)明采用氣態(tài)氧化劑與納米碳材料反應的方法，由于氧化劑以氣體分子形式存在，因此具備更高的氧化性，能夠與所述納米碳材料表面雜質充分、快速反應，從而能夠實現(xiàn)對納米碳材料的高效處理，達到對納米碳材料純化的目的。同時，與現(xiàn)有技術中將納米碳材料與氧化劑在液相中反應相比，本發(fā)明采用的氣態(tài)氧化劑所彌漫區(qū)域比氣態(tài)氧化劑彌漫區(qū)域大得多，有利于納米碳材料與氣態(tài)氧化劑反應，加速納米碳材料的純化。因此，本發(fā)明提供的納米碳材料的處理方法能夠很好的對碳納米材料純化，氧化劑用量少，反應時間短， 效率高，適合大批量生產。此外，本發(fā)明采用的納米碳材料與氣態(tài)氧化劑反應的方法，與現(xiàn)有技術中高溫回流相比，操作安全。本發(fā)明中所述納米碳材料優(yōu)選為碳納米管、碳納米纖維、介孔碳或石墨烯。以碳納米管為例，由于氣態(tài)氧化劑的氧化作用，使位于碳納米管彎曲處的不穩(wěn)定五元碳環(huán)和七元碳環(huán)斷裂，從而造成處理后的碳納米管變短且頂部端口被打開，碳納米管的表面帶有大量的羧基等官能團，有效地增大了表面積及親水性，從而有利于碳納米管與其他化合物發(fā)生化學反應轉化為其它功能基團，提高了 CNTs的實際應用價值。因此，本發(fā)明提供的方法在對納米碳材料純化的同時，還可以起到的對納米碳材料進行功能化的目的。為了進一步說明本發(fā)明的技術方案，下面結合實施例對本發(fā)明優(yōu)選實施方案進行描述，但是應當理解，這些描述只是為進一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點，而不是對本發(fā)明權利要求的限制。本發(fā)明實施例中采用的原料均為市購。實施例1把Ig碳納米管置于玻璃襯管的SiO2砂芯中；在高壓釜的聚四氟內襯中滴加IOml質量濃度為67%的硝酸，然后將所述裝有碳納米管的玻璃襯管放置到高壓釜的聚四氟內襯里，密封；將所述密封的高壓釜放置到烘箱中，加熱，在120°C反應5小時；反應完成后，室溫下冷卻，然后取出玻璃襯管，分別用水和乙醇清洗。本實施例處理后的碳納米管的氧化時間曲線如圖1所示。實施例2把Ig碳納米管置于玻璃襯管的SiO2砂芯中；在高壓釜的聚四氟內襯中滴加IOml質量濃度為67%的硝酸，然后將所述裝有碳納米管的玻璃襯管放置到高壓釜的聚四氟內襯里，密封；將所述密封的高壓釜放置到烘箱中，加熱，在160°C反應5小時；反應完成后，室溫下冷卻，然后取出玻璃襯管，分別用水和乙醇清洗。本實施例處理后的碳納米管的氧化時間曲線如圖2所示。實施例3把Ig碳納米管置于玻璃襯管的SiO2砂芯中；
在高壓釜的聚四氟內襯中滴加0. 5ml硝酸，然后將所述裝有碳納米管的玻璃襯管放置到高壓釜的聚四氟內襯里，密封；將所述密封的高壓釜放置到烘箱中，加熱，在200°C反應5小時；反應完成后，室溫下冷卻，然后取出玻璃襯管，分別用水和乙醇清洗。本實施例處理后的碳納 米管的氧化時間曲線如圖3所示。實施例4把Ig碳納米管置于玻璃襯管的SiO2砂芯中；在高壓釜的聚四氟內襯中滴加1. 6ml質量濃度為67%的硝酸，然后將所述裝有碳納米管的玻璃襯管放置到高壓釜的聚四氟內襯里，密封；將所述密封的高壓釜放置到烘箱中，加熱，在200°C反應5小時；反應完成后，室溫下冷卻，然后取出玻璃襯管，分別用水和乙醇清洗。本實施例處理后的碳納米管的氧化時間曲線如圖4所示。實施例5把Ig碳納米管置于玻璃襯管的SiO2砂芯中；在高壓釜的聚四氟內襯中滴加IOml質量濃度為67%的硝酸，然后將所述裝有碳納米管的玻璃襯管放置到高壓釜的聚四氟內襯里，密封；將所述密封的高壓釜放置到烘箱中，加熱，在200°C反應5小時；反應完成后，室溫下冷卻，然后取出玻璃襯管，分別用水和乙醇清洗。本實施例處理后的碳納米管的氧化時間曲線如圖5所示。分別取未處理的碳納米管、本實施例1處理的氧化率為5. 的碳納米管、本實施例2處理的氧化率為13. 2%的碳納米管、采用本實施例5的方法反應3小時得到的氧化率為30. 5%的碳納米管、本實施例5處理的氧化率為50. 3%的碳納米管，對其進行紅外檢測， 如圖6所示，為碳納米管的表面基團的紅外圖譜。其中，圖中由上到下依次為未處理的碳納米管、氧化率為5. 的碳納米管、氧化率為13. 2%的碳納米管、氧化率為30. 5%的碳納米管和氧化率為50. 3%的碳納米管的紅外圖譜。從圖6中可以看出，本發(fā)明提供的處理方法能有效的使碳納米管表面功能化，從而溶劑中有很好的分散性。實施例6把Ig待處理的碳納米管置于玻璃襯管的SiO2砂芯中，其中所述待處理的碳納米管含有50. 68wt%的雜質碳，16. 97wt%的金屬雜質；在高壓釜的聚四氟內襯中滴加5. 89ml質量濃度為37%的鹽酸，然后將裝有待處理的碳納米管的玻璃襯管放置到高壓釜的聚四氟內襯里，密封；將所述密封的高壓釜放置到烘箱中，加熱，在120°C反應5小時；反應完成后，室溫下冷卻，然后取出玻璃襯管，分別用水和乙醇清洗。如圖7所示，為本實施例中采用的待處理的碳納米管的掃描電鏡圖片，圖8為本實施例處理后的去除了金屬雜質的碳納米管的掃描電鏡圖片。實施例7把Ig待處理的碳納米管置于玻璃襯管的SiO2砂芯中，其中所述待處理的碳納米管含有50. 68wt%的雜質碳，16. 97wt%的金屬雜質；在高壓釜的聚四氟內襯中滴加24. 27ml質量濃度為67%的硝酸，然后將裝有待處理的碳納米管的玻璃襯管放置到高壓釜的聚四氟內襯里，密封； 將所述密封的高壓釜放置到烘箱中，加熱，在120°C反應5小時； 反應完成后，室溫下冷卻，然后取出玻璃襯管，分別用水和乙醇清洗。圖9為本實施例處理后的碳納米管的掃描電鏡圖片。從本實施例可以看出，本發(fā)明采用少量的氧化劑既可以實現(xiàn)對碳納米管的處理，去除了碳納米管上的雜質和金屬催化劑，達到了純化的目的，氧化劑用量少。實施例8把Ig長為10微米左右的碳納米管放在玻璃襯管的SiO2砂芯中；在高壓釜的聚四氟內襯中滴加IOml質量濃度為67%的硝酸，然后將裝有碳納米管的玻璃襯管放置到高壓釜的聚四氟內襯里，密封；將所述密封的高壓釜放置到烘箱中，加熱，在200°C反應3小時；反應完成后，室溫下冷卻，然后取出玻璃襯管，分別用水和乙醇進行清洗。如圖10所示，為本實施例中采用的長為10微米左右的碳納米管的掃面電鏡圖片；圖11為經(jīng)本實施例處理后的碳納米管的掃面電鏡圖片。從圖中可以看出，本實施例采用的長為10微米左右的碳納米管被切成幾百個納米級的碳納米管。從上述實施例可以看出，本發(fā)明提供的納米碳材料的處理方法氧化劑用量少，反應時間短，適合大批量生產。對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業(yè)技術人員能夠實現(xiàn)或使用本發(fā)明。 對這些實施例的多種修改對本領域的專業(yè)技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
權利要求
1.一種納米碳材料的處理方法，其特征在于，包括在120 200°C下，將納米碳材料與氣態(tài)氧化劑在密閉容器中反應，所述氣態(tài)氧化劑為鹽酸和/或硝酸。
2.根據(jù)權利要求1所述的處理方法，其特征在于，所述反應溫度為160 200°C。
3.根據(jù)權利要求1所述的處理方法，其特征在于，所述反應時間為0.5 5小時。
4.根據(jù)權利要求3所述的處理方法，其特征在于，所述反應時間為2 5小時。
5.根據(jù)權利要求1所述的處理方法，其特征在于，所述納米碳材料為碳納米管、碳納米纖維、介孔碳或石墨烯。
6.根據(jù)權利要求1所述的處理方法，其特征在于，所述氣態(tài)氧化劑由如下方法制備 將濃鹽酸和/或濃硝酸加入密閉容器中，加熱。
7.根據(jù)權利要求1所述的處理方法，其特征在于，常溫下所述鹽酸的質量濃度為 37% 38%。
8.根據(jù)權利要求7所述的處理方法，其特征在于，常溫下所述鹽酸與所述納米碳材料的體積質量比為0. 3 IOml Igo
9.根據(jù)權利要求1所述的處理方法，其特征在于，常溫下所述硝酸的質量濃度為 67% 68%。
10.根據(jù)權利要求9所述的處理方法，其特征在于，常溫下所述硝酸與所述納米碳材料的體積質量比為0. 5 IOml Igo
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米碳材料的處理方法，包括在120～200℃下將納米碳材料與氣態(tài)氧化劑在密閉容器中反應，所述氣態(tài)氧化劑為鹽酸和/或硝酸。本發(fā)明采用氣態(tài)氧化劑與納米碳材料反應的方法，由于氧化劑以氣體分子形式存在，因此具備更高的氧化性，能夠與所述納米碳材料表面雜質充分、快速反應，從而能夠實現(xiàn)對納米碳材料的高效處理，達到對納米碳材料純化的目的。與現(xiàn)有技術中將納米碳材料與氧化劑在液相中反應相比，本發(fā)明采用的氣態(tài)氧化劑所彌漫區(qū)域比氣態(tài)氧化劑彌漫區(qū)域大得多，有利于納米碳材料與氣態(tài)氧化劑反應，加速納米碳材料的純化。因此，本發(fā)明提供的納米碳材料的處理方法能夠很好的對碳納米材料純化，氧化劑用量少，反應時間短。
文檔編號C01B31/02GK102153069SQ20111004679
公開日2011年8月17日 申請日期2011年2月25日 優(yōu)先權日2011年2月25日
發(fā)明者于彥存, 明軍, 趙鳳玉 申請人:中國科學院長春應用化學研究所