專利名稱：鎳納米顆粒功能化碳納米管的制備方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)涉及一種鎳(Ni)納米顆粒功能化碳納米管的制備方法和裝置。
背景技術(shù)：
由于碳納米管具有獨(dú)特的電學(xué)性能、大的比表面積、高的機(jī)械強(qiáng)度、好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，使其在諸如作為透明導(dǎo)電電極、作為催化劑載體和柔性透明電子器件等領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用。純的本征碳納米管的直徑、管壁數(shù)目、卷曲方向、手性、納米管的表面缺陷等因素對(duì)碳納米管的物理和化學(xué)性能有重要影響，例如，多壁或少壁碳納米管相對(duì)單壁碳納米管具有較差的透光率；單壁碳納米管根據(jù)卷曲方向和直徑的不同可分別具有金屬性和半導(dǎo)體性；碳納米管的表面缺陷對(duì)其電導(dǎo)率有重要作用。近年來(lái)，研究者發(fā)現(xiàn)，采用不同材料對(duì)碳納米管進(jìn)行功能化修飾可豐富碳納米管的性能，并進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。例如，通過(guò)雜原子參雜、聚合物復(fù)合、及貴金屬和金屬氧化物復(fù)合功能化后，能夠顯著地提高其作為傳感器敏感材料對(duì)待測(cè)氣體分子的靈敏度、選擇性、響應(yīng)速度等氣敏性能。目前為止，人們已經(jīng)采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)、水熱法、溶劑熱法、電化學(xué)法、無(wú)電沉積法等方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)碳納米管的功能化。然而，在這些方法中，CVD法需要較高的反應(yīng)溫度，且所得產(chǎn)物產(chǎn)率較低；水熱法則需要高壓的反應(yīng)環(huán)境；電化學(xué)法只能實(shí)現(xiàn)對(duì)電極薄膜材料的功能化而不能形成大批量的功能化溶液；無(wú)電沉積法則受碳管本征電極電勢(shì)的影響只能實(shí)現(xiàn)極少部分金屬納米粒子的功能化過(guò)程。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種鎳納米顆粒功能化碳納米管的制備方法和裝置，利用該裝置和方法產(chǎn)量高。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案
一種鎳納米顆粒功能化碳納米管的制備方法，在(Tioo°c的溫度條件下，將陰極和由待功能化的Ni組成的陽(yáng)極一起插入含有一定濃度的碳納米管分散液的電解液中，并在陰極和陽(yáng)極上加載(T220V的工作電壓，同時(shí)伴以攪拌，反應(yīng)一段時(shí)間后，電解液中的碳納米管會(huì)被陽(yáng)極上的Ni以納米粒子的形式功能化，從而獲得由金屬納米顆粒功能化的碳納米管溶液。在上述的鎳納米顆粒功能化碳納米管的制備方法中，所述碳納米管分散液的濃度為 O. 0035-0. 035mg/ml。優(yōu)選的，所述碳納米管分散液中的碳納米管為單壁碳納米管、少壁碳納米管和多壁碳納米管中的任意一種或多種的組合。在上述的鎳納米顆粒功能化碳納米管的制備方法中，所述電解液中還含有表面活性劑。

優(yōu)選的，所述表面活性劑選自十二烷基苯磺酸鈉、十二烷基硫酸鈉中的任意一種或兩種的組合。
優(yōu)選的,所述表面活性劑的濃度為l-10mg/ml。在上述的鎳納米顆粒功能化碳納米管的制備方法中，所述電解液中還含有NH4Cl溶液。優(yōu)選的，所述NH4Cl溶液的濃度為O. 01-0. 4mmol/ml。在上述的鎳納米顆粒功能化碳納米管的制備方法中，所述的反應(yīng)時(shí)間為5 90min。本申請(qǐng)還公開(kāi)了一種用以制備上述鎳納米顆粒功能化碳納米管的裝置，所述裝置包括用以容納電解液的電解槽以及位于所述電解槽內(nèi)且相對(duì)設(shè)置的陰極和陽(yáng)極，所述陰極和陽(yáng)極之間電性連接有電源。優(yōu)選的，所述陰極和陽(yáng)極之間的距離為l-4cm。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)大批量的制備，產(chǎn)量高，且反應(yīng)溫度為室溫，小于100°C均可。


為了更清楚地說(shuō)明本申請(qǐng)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本申請(qǐng)中記載的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中金屬納米顆粒功能化碳納米管的制備裝置；
圖2所示為本發(fā)明第一實(shí)施例中制備的Ni納米顆粒功能化單壁碳納米管的SEM照片；圖3所示為本發(fā)明第二實(shí)施例中制備的Cu納米顆粒功能化單壁碳納米管的SEM照片(左)和EDS圖譜(右)；
圖4所示為本發(fā)明第三實(shí)施例中通過(guò)改變反應(yīng)時(shí)間以調(diào)控所制備的Cu納米顆粒功能化單壁碳納米管的尺寸和分布的示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明實(shí)施例公開(kāi)了一種鎳納米顆粒功能化碳納米管的制備方法，在(Γ ΟΟ 的溫度條件下，將陰極和由待功能化的金屬組成的陽(yáng)極一起插入含有一定濃度的碳納米管分散液的電解液中，并在陰極和陽(yáng)極上加載(T220V的工作電壓，同時(shí)伴以攪拌，反應(yīng)一段時(shí)間后，電解液中的碳納米管會(huì)被陽(yáng)極上的金屬以納米粒子的形式功能化，從而獲得由金屬納米顆粒功能化的碳納米管溶液。本發(fā)明實(shí)施例還公開(kāi)了一種用以制備上述鎳納米顆粒功能化碳納米管的裝置，所述裝置包括用以容納電解液的電解槽以及位于所述電解槽內(nèi)且相對(duì)設(shè)置的陰極和陽(yáng)極，所述陰極和陽(yáng)極之間電性連接有電源。利用上述的制備方法和裝置，可以實(shí)現(xiàn)大批量的制備，產(chǎn)量高，且反應(yīng)溫度為室溫，小于100°C均可。所述的待功能化的金屬組成的陽(yáng)極可以是N1、Cu、Fe、Sn等金屬。如圖1所示，陽(yáng)極金屬以Ni為例，在外界電場(chǎng)的作用下，陽(yáng)極金屬Ni將得到電子形成Ni離子，并與溶液中的NH3分子形成絡(luò)合物Ni [ (NH3)6J2+,隨后，Ni離子絡(luò)合物將在溶液中的碳納米管缺陷部位吸附，當(dāng)碳納米管與陰極電極形成回路時(shí)，Ni離子絡(luò)合物將得到電子而生成Ni單質(zhì),在缺陷部位成核并生長(zhǎng)為金屬Ni納米顆粒。隨著反應(yīng)時(shí)間的增加,金屬納米顆粒將逐漸長(zhǎng)大，并最終包裹于碳納米管表面。下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。圖1所示為本發(fā)明具體實(shí)施例中金屬納米顆粒功能化碳納米管的制備裝置。參圖1所示，金屬納米顆粒功能化碳納米管的裝置包括用以容納電解液的電解槽I以及位于所述電解槽內(nèi)且相對(duì)設(shè)置的陰極2和陽(yáng)極3，陰極2和陽(yáng)極3之間電性連接有電源。陽(yáng)極3為待功能化的金屬，該金屬包括N1、Cu、Fe、Sn等。陰極2和陽(yáng)極3之間的距離優(yōu)選為4cm。陰極2和陽(yáng)極3之間的距離也可以在f 4cm之間任意選擇。實(shí)施例1
Ni納米顆粒功能化單壁碳納米管的制備。采用圖1中所述的裝置，其中陽(yáng)極為Ni ;電解液組分為一定濃度的碳納米管溶液(0. 035mg/ml)、表面活性劑(5mg/ml，十二烷基苯磺酸鈉)和0. 4mmol/ml的NH4Cl溶液組成的混合溶液100ml。在25°C的溫度條件下，將陰極和由待功能化的Ni組成的陽(yáng)極一起插入含有一定濃度的碳納米管分散液的電解液中，并在陰極和陽(yáng)極上加載3. 2 V的工作電壓，同時(shí)伴以攪拌(25rpm)。反應(yīng)30 min后，電解液中的碳納米管將會(huì)被陽(yáng)極上的Ni以納米粒子的形式功能化，從而獲得由金屬納米顆 粒功能化的碳納米管溶液。圖2所示為第一實(shí)施例中制備的Ni納米顆粒功能化單壁碳納米管的SEM照片，由圖2中可以明顯的看出Ni納米顆粒已被均一的生長(zhǎng)于碳納米管表面。實(shí)施例2
Cu納米顆粒功能化單壁碳納米管的制備。采用圖1中所述的裝置，其中陽(yáng)極為Cu ;電解液組分為一定濃度的碳納米管溶液(0. 035mg/ml)、表面活性劑(5mg/ml，十二烷基苯磺酸鈉)和0. 4mmol/ml的NH4Cl溶液組成的混合溶液IOOml ；
在25°C的溫度條件下，將陰極和由待功能化的Cu組成的陽(yáng)極一起插入含有一定濃度的碳納米管分散液的電解液中，并在陰極和陽(yáng)極上加載3. 2 V的工作電壓，同時(shí)伴以攪拌(25rpm)0反應(yīng)60 min后，電解液中的碳納米管將會(huì)被陽(yáng)極上的Cu以納米粒子的形式功能化，從而獲得由金屬納米顆粒功能化的碳納米管溶液。圖3所示為第二實(shí)施例中制備的Cu納米顆粒功能化單壁碳納米管的SEM照片(左)和EDS圖譜(右)。由圖3中的SEM照片可以看出有納米顆粒均一的生長(zhǎng)于碳納米管之上，對(duì)應(yīng)的EDS圖譜說(shuō)明所制備納米顆粒中有Cu元素的存在。實(shí)施例3
改變第二實(shí)施例中的反應(yīng)時(shí)間，可以調(diào)控所制備的Cu納米顆粒功能化單壁碳納米管的尺寸和分布，當(dāng)分別反應(yīng)IOmin, 30min, 60min和90min之后，所的樣品的SEM照片如圖4所示由圖4可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，碳納米管上的納米顆粒尺寸和數(shù)量逐漸增力口，最終將形成Cu薄膜包裹于碳納米管表面。
實(shí)施例4
Cu納米顆粒功能化單壁碳納米管的制備。采用圖1中所述的裝置，其中陽(yáng)極為Cu ;電解液組分為一定濃度的碳納米管溶液(0. 0035mg/ml)、表面活性劑(10mg/ml，十二烷基苯磺酸鈉)和0. Olmmo I/ml的NH4Cl溶液組成的混合溶液IOOml ；
在80°C的溫度條件下，將陰極和由待功能化的Cu組成的陽(yáng)極一起插入含有一定濃度的碳納米管分散液的電解液中，并在陰極和陽(yáng)極上加載IlOV的工作電壓，同時(shí)伴以攪拌(25rpm)0反應(yīng)5 min后，電解液中的碳納米管將會(huì)被陽(yáng)極上的Cu以納米粒子的形式功能化，從而獲得由金屬納米顆粒功能化的碳納米管溶液。實(shí)施例5
Fe納米顆粒功能化單壁碳納米管的制備。采用圖1中所述的裝置，其中陽(yáng)極為Fe ;電解液組分為一定濃度的碳納米管溶液(0. 025mg/ml)、表面活性劑(lmg/ml，十二烷基苯磺酸鈉)和0. 2mmol/ml的NH4Cl溶液組成的混合溶液IOOml ；
在5°C的溫度條件下，將陰極和由待功能化的Fe組成的陽(yáng)極一起插入含有一定濃度的碳納米管分散液的電解液中，并在陰極和陽(yáng)極上加載IlOV的工作電壓，同時(shí)伴以攪拌(25rpm)0反應(yīng)90 min后，電解液中的碳納米管將會(huì)被陽(yáng)極上的Fe以納米粒子的形式功能化，從而獲得由金屬納米顆粒功能化的碳納米管溶液。需要說(shuō)明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語(yǔ)僅僅用來(lái)將一個(gè)實(shí)體或者操作與另一個(gè)實(shí)體或操作區(qū)分開(kāi)來(lái)，而不一定要求或者暗示這些實(shí)體或操作之間存在任何這種實(shí)際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包`括一系列要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒(méi)有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒(méi)有更多限制的情況下，由語(yǔ)句“包括一個(gè)……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。以上所述僅是本申請(qǐng)的具體實(shí)施方式
，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)，在不脫離本申請(qǐng)?jiān)淼那疤嵯?，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本申請(qǐng)的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種鎳納米顆粒功能化碳納米管的制備方法，其特征在于在(Tkktc的溫度條件下，將陰極和由待功能化的Ni組成的陽(yáng)極一起插入含有一定濃度的碳納米管分散液的電解液中，并在陰極和陽(yáng)極上加載(T220V的工作電壓，同時(shí)伴以攪拌，反應(yīng)一段時(shí)間后，電解液中的碳納米管會(huì)被陽(yáng)極上的Ni以納米粒子的形式功能化，從而獲得由金屬納米顆粒功能化的碳納米管溶液。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鎳納米顆粒功能化碳納米管的制備方法，其特征在于所述碳納米管分散液的濃度為O. 0035-0. 035mg/ml。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鎳納米顆粒功能化碳納米管的制備方法，其特征在于 所述碳納米管分散液中的碳納米管為單壁碳納米管、少壁碳納米管和多壁碳納米管中的任意一種或多種的組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的鎳納米顆粒功能化碳納米管的制備方法，其特征在于所述電解液中還含有表面活性劑。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鎳納米顆粒功能化碳納米管的制備方法，其特征在于所述表面活性劑選自十_■燒基苯橫酸納、十_■燒基硫酸納中的任意一種或兩種的組合。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的鎳納米顆粒功能化碳納米管的制備方法，其特征在于 所述表面活性劑的濃度為l-10mg/ml。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一所述的鎳納米顆粒功能化碳納米管的制備方法，其特征在于所述電解液中還含有NH4Cl溶液。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的鎳納米顆粒功能化碳納米管的制備方法，其特征在于所述 NH4Cl 溶液的濃度為 O. 01-0. 4mmol/ml。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8任一所述的鎳納米顆粒功能化碳納米管的制備方法，其特征在于所述的反應(yīng)時(shí)間為5 90min。
10.用以制備權(quán)利要求1至9任一所述的鎳納米顆粒功能化碳納米管的裝置，其特征在于所述裝置包括用以容納電解液的電解槽以及位于所述電解槽內(nèi)且相對(duì)設(shè)置的陰極和陽(yáng)極，所述陰極和陽(yáng)極之間電性連接有電源。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于所述陰極和陽(yáng)極之間的距離為l-4cm。
全文摘要
鎳納米顆粒功能化碳納米管的制備方法和裝置。本申請(qǐng)公開(kāi)了一種鎳納米顆粒功能化碳納米管的制備方法，具體為在0~100℃的溫度條件下，將陰極和由待功能化的金屬組成的陽(yáng)極一起插入含有一定濃度的碳納米管分散液的電解液中，并在陰極和陽(yáng)極上加載0~220V的工作電壓，同時(shí)伴以攪拌，反應(yīng)一段時(shí)間后，電解液中的碳納米管會(huì)被陽(yáng)極上的金屬以納米粒子的形式功能化，從而獲得由金屬納米顆粒功能化的碳納米管溶液。本申請(qǐng)的碳納米管可以實(shí)現(xiàn)大批量的制備，產(chǎn)量高，且反應(yīng)溫度為室溫，小于100℃均可。
文檔編號(hào)B82Y30/00GK103043642SQ20131001654
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2013年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月17日
發(fā)明者張珽, 陳紹樞, 王學(xué)文, 劉冬薇, 李光輝, 劉瑞, 熊作平 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所