一種雙螺旋碳納米管的高產(chǎn)合成方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙螺旋碳納米管的高產(chǎn)合成方法，其特征在于：包含以下步驟：(1)將FeCl2·4H2O、檸檬酸顆粒和無水乙醇按照1mol:1.5mol:100mL的數(shù)量比例混合，水浴攪拌后，將所得溶膠在烘箱中熱處理直至得到干凝膠；(2)將所得干凝膠熱處理，得到所需催化劑前驅(qū)體粉末；(3)將所得粉末平鋪在小瓷舟內(nèi)，在氬氣的保護(hù)下，將反應(yīng)溫度由室溫升高至450℃，關(guān)閉氬氣并立即切換通入氫氣1個(gè)小時(shí)，關(guān)閉氫氣并立即切換通入乙炔和水蒸氣2個(gè)小時(shí)，冷卻至室溫，收集黑色樣品。樣品的透射電鏡和場發(fā)射掃描電鏡觀察結(jié)果表明：所合成樣品為高選擇性的雙螺旋碳納米管。與目前國際報(bào)道數(shù)據(jù)(8.3)相比，該方案所得到的雙螺旋碳納米管產(chǎn)率有了很大提高。
【專利說明】一種雙螺旋碳納米管的高產(chǎn)合成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于碳納米管制備技術(shù)，尤其涉及一種雙螺旋碳納米管的高產(chǎn)制備方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]螺旋狀碳納米材料可看做是在碳六邊形網(wǎng)格中引入部分碳五邊形和碳七邊形而構(gòu)成的，是一種手性材料。理論研究表明若有電流通過單根螺旋碳納米材料，可以產(chǎn)生感應(yīng)磁場。因而，螺旋碳納米材料在微型電磁波納米轉(zhuǎn)換器和納米開關(guān)方面存在著很大的潛在性應(yīng)用。另外，大量的理論研究工作表明螺旋碳納米材料不僅具備碳納米材料本征的物理和化學(xué)性能，而且還具有其自身螺旋結(jié)構(gòu)所帶來的優(yōu)勢。其螺旋度對碳納米材料的電子輸運(yùn)特性具有決定性作用，隨著螺旋度的改變，其可表現(xiàn)出金屬、半導(dǎo)體，甚至是半金屬特性，可被用作納米彈簧、微型天線、生物活性劑或減活劑、能量轉(zhuǎn)換器、微型傳感器以及納米電感線圈等。螺旋碳納米材料優(yōu)異的物理、化學(xué)性能和巨大的應(yīng)用價(jià)值，使得該種材料的合成在近些年一直備受國內(nèi)外科研工作者的重點(diǎn)關(guān)注，到目前為止，雖然已經(jīng)有很多關(guān)于螺旋碳納米材料合成工藝的報(bào)道。然而，較低的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)率嚴(yán)重地束縛了其應(yīng)用研究和產(chǎn)品開發(fā)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提供一種高選擇性雙螺旋碳納米管高產(chǎn)合成的方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)在雙螺旋碳納米管低產(chǎn)率所帶來的應(yīng)用研究和產(chǎn)品開發(fā)等問題。
[0004]本發(fā)明的技術(shù) 方案是:一種雙螺旋碳納米管的高產(chǎn)合成方法，包含以下步驟:(I)將FeCl2 ? 4H20、檸檬酸顆粒和無水乙醇按照Imol: 1.5mol:1OOmL的數(shù)量比例混合，水浴攪拌后，將所得溶膠在烘箱中熱處理直至得到干凝膠；(2)將所得干凝膠熱處理，得到所需催化劑前驅(qū)體粉末；(3)將所得粉末平鋪在小瓷舟內(nèi)，在氬氣的保護(hù)下，將反應(yīng)溫度由室溫升高至450 °C，關(guān)閉氬氣并立即切換通入氫氣I個(gè)小時(shí)，關(guān)閉氫氣并立即切換通入乙炔和水蒸氣2個(gè)小時(shí)，冷卻至室溫，收集黑色樣品。
[0005]步驟(1)中水浴溫度為60°C，時(shí)間為6小時(shí)。
[0006]步驟(2)中的熱處理溫度為450 °C，熱處理4個(gè)小時(shí)。
[0007]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明的目的是通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)分析和總結(jié)，設(shè)計(jì)出一套高選擇性雙螺旋碳納米管的高產(chǎn)率合成方案，為該種先進(jìn)功能材料的實(shí)際應(yīng)用研究和開發(fā)奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。本發(fā)明利用溶膠凝膠法制備出氧化鐵納米顆粒，通過氫氣還原法和蒸餾水輔助鐵納米顆粒原位催化裂解乙炔的方法研究雙螺旋碳納米材料的高產(chǎn)合成工藝條件。研究結(jié)果表明:水蒸氣的引入很大程度上提高了鐵納米顆粒的催化性能，與之前所報(bào)道的值相比，所合成的雙螺旋碳納米管的產(chǎn)率(
產(chǎn)率)得到了很大的提升。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是利用蒸餾水作為催化劑鐵納米顆粒的輔助劑，既大大地提高了雙螺旋碳納米管的產(chǎn)率，又很好地保證了雙螺旋碳納米管的高選擇性。因而，與之前所報(bào)道的工藝條件相比，該合成方案很好地同時(shí)確保了雙螺旋碳納米管的高產(chǎn)率和高選擇性。
[0009]本發(fā)明的方法是利用蒸餾水輔助的催化化學(xué)氣相沉積法提高雙螺旋碳納米管的產(chǎn)率。通過調(diào)控水蒸氣的引入速率等工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)高選擇性雙螺旋碳納米管的高產(chǎn)合成。與之前相關(guān)文獻(xiàn)和專利的報(bào)道相比，本發(fā)明的最大優(yōu)點(diǎn)在于巧妙地運(yùn)用了蒸餾水作為過渡族金屬催化劑的輔助劑，通過實(shí)驗(yàn)參數(shù)的調(diào)控，在保證雙螺旋碳納米管的高選擇性前提下，大大地提高了該種功能材料的產(chǎn)率，為該類型功能材料的實(shí)際應(yīng)用研究和開發(fā)提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
[0010]用本發(fā)明制備的樣品需要利用以下儀器進(jìn)行物相和結(jié)構(gòu)表征、分析:樣品物相采用日本Rigaku公司制造的D/Max-RA型旋轉(zhuǎn)陽極X射線衍射儀(XRD)進(jìn)行分析(CuKa)；產(chǎn)品形貌采用FEI公司生產(chǎn)的Sirion場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)以及JE0L-2010型高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)表征。
[0011]本發(fā)明在利用鐵納米顆粒催化裂解乙炔合成高選擇性雙螺旋碳納米管的基礎(chǔ)之上，通過水蒸氣的引入，巧妙地利用了蒸餾水的輔助催化作用，在保證雙螺旋碳納米管高選擇性的前提下，提高了該種螺旋碳納米材料的產(chǎn)率，為該種材料的實(shí)際應(yīng)用和開發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
[0012]為了很好地解決雙螺旋碳納米管低產(chǎn)率所帶來的問題，本發(fā)明采用蒸餾水輔助的催化裂解法，有效地提高了雙螺旋碳納米管的合成產(chǎn)率。與之前所報(bào)道的數(shù)值相比，本發(fā)明所報(bào)道的產(chǎn)率值超過了目前國際上所報(bào)道的同類數(shù)值。本發(fā)明首先著重于樣品合成工藝條件的改進(jìn)，其創(chuàng)新之處在于通過巧妙地使用蒸餾水作為輔助劑，有效地提升催化劑的催化性能，從而提高了所合成雙螺旋碳納米管的產(chǎn)率。與目前國際報(bào)道數(shù)據(jù)(8.3)相比，該方案所得到的雙螺旋碳納米管產(chǎn)率有了很大提高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為所合成樣品的場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)照片。
【具體實(shí)施方式】
[0014]以下是本發(fā)明的實(shí)例(實(shí)例中所用試劑均為化學(xué)純)，該實(shí)驗(yàn)過程主要分兩步完成:
第一步:首先將Imol FeCl2 *4H20(四水合氯化亞鐵)、1.5mol檸檬酸顆?；旌?，向其中加入IOOmL無水乙醇，所得混合物放入三頸瓶中在60 ° C水浴攪拌6小時(shí)后，將所得溶膠在烘箱中80 ° C熱處理6小時(shí)后，再升溫至150 ° C熱處理直至得到相應(yīng)干凝膠；將所得干凝膠在高溫爐中在空氣中在450 ° C熱處理4個(gè)小時(shí)后即可得到所需催化劑前驅(qū)體粉末；
第二步:將一定量的催化劑前驅(qū)體粉末(50 mg)平鋪在小瓷舟內(nèi)并推入管式石英管內(nèi)至管式爐熱電偶位置處，在氬氣的保護(hù)作用下將反應(yīng)溫度由室溫升高至450 ° C;之后關(guān)閉氬氣并立即切換通入氫氣，將氧化鐵納米顆粒在氫氣氣氛中原位還原I個(gè)小時(shí)后，關(guān)閉氫氣并立即切換通入乙炔和水蒸氣(蒸餾水30° C水浴加熱)，在鐵納米顆粒表面原位催化裂解乙炔2個(gè)小時(shí)，待整個(gè)裝置冷卻至室溫后，可在小瓷舟內(nèi)收集到大量的黑色樣品(1.44 g)。
[0015]圖1a為該樣品的FE-SEM照片，通過FE-SEM的系統(tǒng)觀察可知所合成樣品為高選擇性的雙螺旋碳納米材料。圖1 b給出了該樣品的TEM照片，樣品的納米管道結(jié)構(gòu)可以清晰地觀察到。因而，樣品的掃描電鏡和透射電鏡表明所合成的樣品為高選擇性的雙螺旋碳納米管。
[0016]表1:對比實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性
【權(quán)利要求】
1.一種雙螺旋碳納米管的高產(chǎn)合成方法，其特征在于:包含以下步驟: (I)將FeCl2 *4H20、檸檬酸顆粒和無水乙醇按照Imol: 1.5mol:1OOmL的數(shù)量比例混合，水浴攪拌后，將所得溶膠在烘箱中熱處理直至得到干凝膠；(2)將所得干凝膠熱處理，得到所需催化劑前驅(qū)體粉末；(3)將所得粉末平鋪在小瓷舟內(nèi)，在氬氣的保護(hù)下，將反應(yīng)溫度由室溫升高至450 V，關(guān)閉氬氣并立即切換通入氫氣I個(gè)小時(shí)，關(guān)閉氫氣并立即切換通入乙炔和水蒸氣2個(gè)小時(shí)，冷卻至室溫，收集黑色樣品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙螺旋碳納米管的高產(chǎn)合成方法，其特征在于:步驟(1)中水浴溫度為60 °C，時(shí)間為6小時(shí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙螺旋碳納米管的高產(chǎn)合成方法，其特征在于:步驟(2)中的熱處理溫度為450 °C，熱處理4個(gè)小時(shí)。
【文檔編號】C01B31/02GK103663411SQ201310636461
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月3日
【發(fā)明者】祁小四 申請人:貴州大學(xué)