專利名稱：單壁碳納米管的提純方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單壁碳納米管的提純方法，屬碳納米管制備工藝技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
1991年，飯島澄男發(fā)現(xiàn)由電弧法制備的多壁碳納米管(Iijima S et al. Nature, 1991, 354: 56-58)。1993年飯島澄男又利用電弧法制備出了單壁碳納米管(Iijima S et al. Nature, 1993, 363: 603-605)。碳納米管自從誕生之日起就受到了廣泛的關(guān)注，這是由 于它在力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)上具有無可比擬的優(yōu)勢，在眾多的領(lǐng)域都可以應(yīng)用，如多功 能復(fù)合材料(Ajayan PMet al. Nature 2007, 447, 1066-1068)、場發(fā)射晶體管(Tans SJet al. Nature 1998, 393, 49-52)、透明導(dǎo)電薄膜(WuZ C et al. Science 2004, 5, 1273-1276)、超級 電容(An KHet al. Adv. Mater. 2001, 13, 497-500)等。但是，無論是電弧放電法、化學(xué)氣 相沉積法還是激光蒸發(fā)法，在制備碳納米管的過程中，都會產(chǎn)生大量的雜質(zhì)，這對于碳 納米管的大多數(shù)的應(yīng)用都是不利的因素，因此，提純碳納米管，即提高樣品中碳納米管 的含量，是碳納米管應(yīng)用的重要指標(biāo)和參數(shù)，是應(yīng)用前必不可少的步驟。傳統(tǒng)的碳納米管提純方法主要有氣相氧化法和液相氧化法。氣相氧化法里主 要是利用空氣氧化碳雜質(zhì)(Dujardin E et al. Adv. Mater. 1998, 10, 611-613)，而液相氧化法 主要包括硝酸(Hu H, et al. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 13838-13842)、雙氧水(Zhao X L, et al. Diamond Relat. Mater. 2006, 1098-102)等來除去樣品中的碳雜質(zhì)和金屬催化劑。這些 方法雖然可以有效去除雜質(zhì)得到比較純凈的碳納米管，但是方法本身對于碳納米管結(jié)構(gòu) 的破壞較為嚴重，并且提純的效率較低。因此，需要找到一種方法，既能夠有效去除雜 質(zhì)從而得到純凈的碳納米管，又要對于碳納米管本身結(jié)構(gòu)的破壞較小，還要有較高的提 純效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種單壁碳納米管的提純方法。本發(fā)明一種單壁碳納米管的提純方法，其特征在于具有以下的過程和步驟
A、利用氫氣提純單壁碳納米管
將未處理過的單壁碳納米管置于石英管高溫爐中，在氬氣保護下，升溫至700 IOOO0C,通過氫氣和氬氣的混合氣體，氫氣與氬氣的體積比為20 80;反應(yīng)時間為半小 時；然后將單壁碳納米管取出，放在濃鹽酸中浸泡12小時，以除去當(dāng)初制備時殘留的金 屬鐵催化劑及其他雜質(zhì)；
上述未處理過的單壁碳納米管是由氫電弧法以鐵為催化劑制備而得的單壁碳納米
管；
B、用氫氣和空氣先后處理提純單壁碳納米管
a.將未處理過的單壁碳納米置于石英管高溫爐中，在氬氣保護下，升溫至700 IOOO0C,通入氫氣和氬氣的混合氣體，氫氣與氬氣的體積比為20 80;反應(yīng)時間為半小時，然后停止通入氫氣，在氬氣保護下自然降至室溫；然后將單壁碳納米管取出，放在 濃鹽酸中浸泡12小時；以去除當(dāng)初制備時殘留的金屬鐵催化劑及其他雜質(zhì)；
b.將上述經(jīng)氫氣處理好的單壁碳納米管再置于敞開開口的石英管高溫爐中，使空 氣可充分接觸物料，升溫至300 450°C，保持半小時，以使空氣與碳雜質(zhì)反應(yīng)；然后自 然降溫至室溫；將單壁碳納米管取出，再放入濃鹽酸中浸泡12小時，以進一步去除金屬 鐵催化劑及其他雜質(zhì)；
上述未處理過的單壁碳納米管是由氫電弧法以鐵為催化劑制備而得的單壁碳納米管。本發(fā)明所述的利用氫氣提純法和利用氫氣和空氣先后處理提純法也可以用于 多壁碳納米管的提純；氫氣提純的溫度為900 1100°C ；空氣提純400 500°C。本發(fā)明的優(yōu)點如下所述
提純后的碳納米管具有很高的純度，并且此方法對于碳納米管自身結(jié)構(gòu)的破壞 較小，因此除了對于一般的碳納米管具有很好的提純效果之外，尤其還可應(yīng)用于小直徑 單壁碳納米管的提純，因為傳統(tǒng)的提純方法對于小直徑碳納米管的結(jié)構(gòu)有較大的破壞作 用。另外，相比較一般的傳統(tǒng)提純方法，本提純方法的提純效率和產(chǎn)率都要高。


圖1提純前后碳納米管的掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡照片； 圖2提純前后碳納米管的能譜結(jié)果；
圖3提純前碳納米管的能譜結(jié)果；
圖4不同溫度下，利用空氣提純碳納米管的Raman光譜圖； 圖5不同溫度下，利用氫氣提純碳納米管的Raman光譜圖； 圖6不同溫度下，先后利用空氣和氫氣提純碳納米管的Raman光譜圖； 圖7提純前后碳納米管的熱重分析圖。
具體實施例方式現(xiàn)將本發(fā)明的具體實施例敘述于后。實施例1 利用氫氣提純單壁碳納米管將碳納米管未處理樣品置于石英管高 溫爐中，在氬氣保護下，升溫至900攝氏度，通入氫氣和氬氣的混合氣體(比例為體積 比20: 80)，反應(yīng)時間為半小時，停止通入氫氣，在氬氣保護下自然降溫。將樣品取出 后放入濃鹽酸中浸泡12小時，用以除去金屬鐵催化劑。這種方法提純后的樣品純度在90%以上，并且提純對于碳納米管本身結(jié)構(gòu)的 破壞很小，小直徑的碳納米管也沒有被除去，產(chǎn)率(處理后和處理前，樣品的質(zhì)量比) 大約為30%，考慮到未處理樣品中本身的碳納米管含量大約為30%，因此這種方法的提 純效率約為 90%*30%/30%=90%。實施例2 氫氣和空氣先后處理提純單壁碳納米管
(1)將碳納米管未處理樣品置于石英管高溫爐中，在氬氣保護下，升溫至 700-1000攝氏度，通入氫氣和氬氣的混合氣體(比例為體積比20: 80)，反應(yīng)時間為半 小時，停止通入氫氣，在氬氣保護下自然降溫。將樣品取出后放入濃鹽酸中浸泡12小時，用以除去金屬催化劑。(2)將上述經(jīng)氫處理好的單壁碳納米管樣品置于敞開口的石英管高溫爐中， 使空氣可以充分接觸樣品，升溫至400攝氏度，保持半個小時以便空氣和碳雜質(zhì)反應(yīng)， 自然降溫。將樣品取出后放入濃鹽酸中浸泡12小時，用以進一步除去金屬催化劑。這種方法提純后的樣品純度在99%以上，并且提純對于碳納米管本身結(jié)構(gòu)的 破壞較小，小直徑的碳納米管還存在，產(chǎn)率大約為22%，考慮到未處理樣品中本身的碳 納米管含量大約為30%，因此這種方法的提純效率約為99%*22%/30%=73%。
儀器檢測對實施例中提純前后樣品進行各項儀器檢測，檢測結(jié)果示于附圖的圖1 至圖7中。參見圖1，掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡觀察表明利用氫氣和空氣先后處 理提純后的碳納米管樣品具有很高的純度。圖1(a)為未處理樣品的掃描電子顯微鏡圖 片，可以看到除了碳納米管以外，還有很多的雜質(zhì)存在，經(jīng)過提純之后，幾乎看不到明 顯的雜質(zhì)(圖1(b))。圖1(c)為未處理樣品的透射電子顯微鏡圖片，黑色的點狀物為包 裹有無定形碳的金屬催化劑，經(jīng)過提純之后，看不到明顯的黑色點狀物(圖1(d))，說 明金屬催化劑已經(jīng)被有效除去。圖2、3是SEM上帶有的EDS分析?？梢钥吹?，未處理的樣品中金屬催化劑 的含量約為30%，經(jīng)過氫氣處理后約為5%，經(jīng)過氫氣和空氣處理后已經(jīng)檢測不到金屬催 化劑。圖4、5、6為提純過程的Raman光譜圖?？諝馓峒兒蟮暮粑?波數(shù) IOOcm1-SOOcm1)隨著溫度的升高，相應(yīng)于小直徑的峰(260cm1)逐漸減小，說明小直 徑碳納米管被破壞嚴重(圖4)。氫氣提純后的呼吸峰隨著溫度的升高，相應(yīng)于小直徑的 峰(260cm1)幾乎不變，說明氫氣提純對于小直徑碳納米管破壞較小(圖5)。氫氣和 空氣先后處理對于碳納米管的破壞也較小(圖6)。圖7為提純前后的熱重分析結(jié)果。未處理樣品的殘余物質(zhì)量分數(shù)為58%，殘余 物為Fe203。氫氣處理后殘余物質(zhì)量分數(shù)為4.4%，說明樣品中的金屬催化劑含量很小， 碳含量很高，即碳納米管的含量達到90%以上。氫氣和空氣處理后，殘余物質(zhì)量分數(shù) 為0.7%，說明樣品中的金屬催化劑含量非常小，碳含量特別高，因為在500攝氏度前樣 品的質(zhì)量幾乎未變，因此推斷樣品中的無定形碳含量很小，碳納米管的含量達到95%以 上。
權(quán)利要求
1.一種單壁碳納米管的提純方法，其特征在于具有以下的過程和步驟A、利用氫氣提純單壁碳納米管將未處理過的單壁碳納米管置于石英管高溫爐 中，在氬氣保護下，升溫至700 1000°C，通過氫氣和氬氣的混合氣體，氫氣與氬氣的 體積比為20: 80;反應(yīng)時間為半小時；然后將單壁碳納米管取出，放在濃鹽酸中浸泡12 小時，以除去當(dāng)初制備時殘留的金屬鐵催化劑及其他雜質(zhì)；上述未處理過的單壁碳納米 管是由氫電弧法以鐵為催化劑制備而得的單壁碳納米管；B、用氫氣和空氣先后處理提純單壁碳納米管a.將未處理過的單壁碳納米置于石英管高溫爐中，在氬氣保護下，升溫至700 IOOO0C,通入氫氣和氬氣的混合氣體，氫氣與氬氣的體積比為20 80;反應(yīng)時間為半小 時，然后停止通入氫氣，在氬氣保護下自然降至室溫；然后將單壁碳納米管取出，放在 濃鹽酸中浸泡12小時；以去除當(dāng)初制備時殘留的金屬鐵催化劑及其他雜質(zhì)；b.將上述經(jīng)氫氣處理好的單壁碳納米管再置于敞開開口的石英管高溫爐中，使空 氣可充分接觸物料，升溫至300 450°C，保持半小時，以使空氣與碳雜質(zhì)反應(yīng)；然后自 然降溫至室溫；將單壁碳納米管取出，再放入濃鹽酸中浸泡12小時，以進一步去除金屬 鐵催化劑及其他雜質(zhì)；上述未處理過的單壁碳納米管是由氫電弧法以鐵為催化劑制備而得的單壁碳納米管。
2.如權(quán)利要求1所述的一種單壁碳納米管的提純方法，其特征在于所述的利用氫氣提 純法和利用氫氣和空氣先后處理提純法也可以用于多壁碳納米管的提純；氫氣提純的溫 度為900 1100°C ；空氣提純400 500°C。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種單壁碳納米管的提純方法，屬碳納米管制備工藝技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明公開了一種提純單壁碳納米的方法，其過程和步驟主要包括三個內(nèi)容(1)在氫氣氣氛下高溫處理單壁碳納米管、處理溫度為700～1000℃；(2)在空氣氛下高溫處理單壁碳納米管，處理溫度為300～450℃；(3)在氫氣或空氣處理后，都需用濃鹽酸浸泡12小時，以除去金屬鐵催化劑及其他雜質(zhì)。本發(fā)明方法提純后的單壁碳納米具有很高的純度。本發(fā)明方法的提純效率和產(chǎn)率都較高。
文檔編號B82Y40/00GK102020267SQ20101061363
公開日2011年4月20日 申請日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者安康, 盛雷梅, 石磊, 趙新洛, 郁黎明 申請人:上海大學(xué)