本發(fā)明涉及納米材料組裝技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種三維碳管纖維氣凝膠及其制備方法。

背景技術(shù)：

納米材料的可控合成、有效組裝，以及基于納米材料的器件設(shè)計(jì)和性能研究是相關(guān)材料走向?qū)嵱没那疤岷捅Ｕ现?。英?guó)《自然-材料》(naturematerials，2007年第6期，841頁(yè))指出，材料的物理化學(xué)性質(zhì)開(kāi)發(fā)不僅取決于自身的形狀和尺寸，也取決于組裝體的協(xié)同。美國(guó)《納米快報(bào)》(nanoletters，2010年第10期，5103頁(yè))指出，利用組裝技術(shù)可以有效降低體系熵值，從而使雜亂的超長(zhǎng)柔性納米線得到有序的排列組裝。

《自然-材料》(naturematerials.2011年10卷424頁(yè))報(bào)道了利用模板導(dǎo)向的化學(xué)氣相沉積的方法，合成三維石墨烯宏觀尺度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)-石墨烯泡沫。此方法的基本過(guò)程是：以泡沫鎳為模板，在高溫下分解甲烷，在泡沫鎳表面沉積上一層石墨烯的薄膜。在刻蝕泡沫鎳前，先在石墨烯薄膜表面沉積一層聚甲基丙烯酸甲酯，用熱的鹽酸溶液刻蝕掉泡沫鎳后，再用熱的丙酮溶液溶掉聚甲基丙烯酸甲酯，最后得到三維石墨烯泡沫。但該方法需要昂貴的儀器設(shè)備，繁瑣的實(shí)驗(yàn)步驟，長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)整過(guò)程。

除此以外，現(xiàn)有技術(shù)公開(kāi)的技術(shù)只能形成實(shí)心的碳納米纖維三維組裝體。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種三維碳管纖維氣凝膠及其制備方法，可以制備得到宏觀尺度的空心碳管纖維組裝體，且制備方法簡(jiǎn)單。

為解決以上技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明具體提供了一種三維碳管纖維氣凝膠的制備方法，包括以下步驟：

a)將碲納米線和葡萄糖在水溶液中混合，進(jìn)行高溫高壓水熱反應(yīng)，得到三維碳纖維水凝膠；

b)步驟a)得到的三維碳纖維水凝膠經(jīng)二氧化碳超臨界干燥或冷凍干燥處理后高溫煅燒，得到三維碳管纖維氣凝膠。

本發(fā)明采用的碲納米線可以為一般市售的碲納米線或按照本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方法制備的碲納米線，在本發(fā)明的某些具體實(shí)施例中，采用以下方法制備碲納米線：

將亞碲酸鈉或二氧化碲，和表面活性劑在溶劑中混合，堿性環(huán)境下，被還原劑還原，得到碲納米線。

本發(fā)明優(yōu)選的，所述表面活性劑為聚乙烯吡咯烷酮。

所述溶劑為乙二醇和丙酮。

所述堿性環(huán)境優(yōu)選采用氨水、koh、naoh等堿性化合物調(diào)節(jié)。

所述還原劑優(yōu)選為水合肼。

在本發(fā)明的某些具體實(shí)施例中，所述碲納米線的制備具體為：

將亞碲酸鈉和聚乙烯吡咯烷酮在乙二醇中混合，然后加入丙酮溶解，再依次加入氨水和水合肼，攪拌均勻后，高溫中放置2～5h，得到碲納米線。

所述高溫優(yōu)選為160～200℃。

所述碲納米線的直徑優(yōu)選為35nm。

然后將上述碲納米線離心清洗后，溶解在水溶液中。加入葡萄糖，攪拌溶解。

上述碲納米線和葡萄糖的質(zhì)量比優(yōu)選為3:20。

上述混合溶液進(jìn)行高溫高壓水熱反應(yīng)，得到三維碳纖維水凝膠。

上述高溫高壓水熱反應(yīng)在能夠承壓的密閉容器中進(jìn)行即可，本發(fā)明優(yōu)選采用聚四氟乙烯反應(yīng)釜。

上述水熱反應(yīng)的溫度優(yōu)選為150～200℃，反應(yīng)的時(shí)間優(yōu)選為18～36h。

然后對(duì)上述得到的三維碳纖維水凝膠進(jìn)行二氧化碳超臨界干燥或冷凍干燥處理，得到三維碳纖維氣凝膠。

上述三維碳纖維氣凝膠經(jīng)高溫煅燒，即可得到三維碳管纖維組裝體。

所述高溫煅燒優(yōu)選在惰性氣體氛圍中進(jìn)行。所述惰性氣體優(yōu)選為氮?dú)夂?或氬氣。

所述高溫煅燒優(yōu)選具體為：

180min內(nèi)從30℃升到900℃，900℃下保持120min，再180min降溫到30℃。

本發(fā)明還提供了一種三維碳管纖維氣凝膠，采用上述方法制備得到。

所述碳管纖維的外直徑為161nm，內(nèi)直徑為35nm。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種三維碳管纖維氣凝膠的制備方法，包括以下步驟：a)將碲納米線和葡萄糖在水溶液中混合，進(jìn)行高溫高壓水熱反應(yīng)，得到三維碳纖維水凝膠；b)步驟a)得到的三維碳纖維水凝膠經(jīng)二氧化碳超臨界干燥或冷凍干燥處理后高溫煅燒，得到三維碳管纖維氣凝膠。本發(fā)明提供了一種宏觀尺度的碳管纖維組裝體的制備方法，以一維的碲納米線作為硬模板，水熱反應(yīng)得到三維的碳纖維水凝膠，高溫煅燒除去內(nèi)部的一維納米線，組裝得到尺寸均一、各項(xiàng)同性的三維碳管纖維組裝體，為后續(xù)的功能化應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1制備的碲納米線的透射電子顯微鏡圖；

圖2為實(shí)施例1制備的三維碳纖維水凝膠的光學(xué)照片；

圖3為實(shí)施例1制備的三維碳纖維水凝膠的透射電子顯微鏡圖；

圖4為實(shí)施例1制備的三維碳纖維水凝膠的掃描電子顯微鏡圖；

圖5為實(shí)施例1制備的碳管纖維組裝體的透射電子顯微鏡圖；

圖6為實(shí)施例1制備的碳管纖維組裝體的掃描電子顯微鏡圖。

具體實(shí)施方式

為了進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的三維碳管纖維氣凝膠及其制備方法進(jìn)行詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

1)直徑35nm碲納米線的合成

在500ml聚四氟乙烯反應(yīng)釜中加入185ml乙二醇，0.922g亞碲酸鈉，10g聚乙烯吡咯烷酮，攪拌溶解后，加入145ml丙酮，20min后，依次加入33.5ml氨水，16.5ml水合肼，攪拌1min后，放到180℃烘箱中反應(yīng)3h，取出，冷卻。

用透射電子顯微鏡對(duì)制備的碲納米線進(jìn)行表征，透射電子顯微鏡圖見(jiàn)圖1，結(jié)果表明，合成的碲納米線尺寸均一。

2)三維碳纖維水凝膠的合成

向上述制備得到的500ml直徑為35nm的碲納米線溶液中加入丙酮沉淀，再水洗一遍后離心，得到的碲納米線溶于40ml水中，加入3.5g葡萄糖，攪拌15min后，放入50ml聚四氟乙烯反應(yīng)釜中180℃水熱反應(yīng)24h，冷卻后取出得到三維碳纖維水凝膠。二氧化碳超臨界干燥后，得到三維碳纖維氣凝膠。

圖2為制備的三維碳纖維水凝膠的光學(xué)照片。

采用透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)制備的碳纖維水凝膠進(jìn)行表征，結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4，圖3為透射電子顯微鏡圖，圖4為掃描電子顯微鏡圖。

結(jié)果表明，制備的三維碳纖維水凝膠纖維尺寸均一。

3)宏觀尺度碳管纖維組裝體的制備

將上述制備得到的三維碳纖維氣凝膠放在大小合適的瓷舟里，塞到管式爐中，密封好，通氮?dú)饣蛘邭鍤?，設(shè)置升溫降溫程序：180min內(nèi)從30℃升到900℃，900℃下保持120min，再180min降溫到30℃。降溫結(jié)束后，拿出樣品，得到碳管纖維組裝體。

采用透射電子顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)制備的碳管纖維組裝體進(jìn)行表征，結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6，圖5為透射電子顯微鏡圖，圖6為掃描電子顯微鏡圖。

可以看出，本發(fā)明制備得到了空心的三維碳管纖維組裝體。

由上述實(shí)施例可知，本發(fā)明制備得到了空心的三維碳管纖維組裝體，且尺寸均一。

以上實(shí)施例的說(shuō)明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。