氣相爆轟法合成碳納米管的方法
【專利摘要】本發明屬于納米材料合成技術領域，提供了一種氣相爆轟法合成碳納米管的方法。將氣相爆轟管密閉后抽真空，向其中加入有機鐵源，氣相爆轟管加溫至100～180℃，使有機鐵源蒸發成氣態；待有機鐵源充分蒸發成氣態后，向氣相爆轟管內充入碳氫可燃氣體；所述的碳氫可燃氣體為乙炔或甲烷；再向氣相爆轟管中充入氧氣，直至壓力為0.05～0.2MPa；停止加熱，引爆氣體；爆轟完畢待氣相爆轟管冷卻后，排氣，收集產物，即為碳納米管；本發明的方法簡單、高效、廉價、產量大并且純凈。
【專利說明】
氣相爆轟法合成碳納米管的方法
技術領域
[0001 ]本發明屬于納米材料合成技術領域，涉及一種氣相爆轟法合成碳納米管的方法。
【背景技術】
[0002]碳納米管由于其長徑比高，獨特的管狀結構，直徑通常在幾納米到幾十納米，管壁僅有幾納米，成為了一種新型碳材料，具有很多新奇的性能，如韌性高、導電性強，強度大，導電性好，兼具金屬特性和半導體特性等特點。有望用于制造電子產品零件和燃料電池、傳感器、儲氫以及催化劑載體。
[0003]盡管碳納米管具有十分優越的性能以及廣闊的應用前景，但目前合成碳納米管的手段有限，主要包括電弧法(劉暢等.電弧放電法制備碳納米管，新型炭材料，2001年)、激光燒蝕法(Thess A,Lee R,Nikolaev P,et al.Crystalline ropes of metallic carbonnanotubes.Science，1996)、化學氣相沉積法(CVD)、模板法(Kyotani T.Tsai L F.TomitaA.Format1n of ultrafine carbon tubes by using an anodic aluminum oxide filmas a template.Chem Mater，1995)等。前兩種生產成本較高，設備較為復雜，限制其大規模工業化生產。后兩者雖然生產成本較低，但是實驗工序較為復雜，反應條件苛刻，難于控制。此前，已有使用三硝基苯酚[苦味酸，C6H3N3O7L乙酸鈷[Co(Ac)2]和菲[C14Hiq]混合作為爆炸物，密封在不銹鋼耐高壓容器中，通過外部加熱引發爆炸反應，來制備碳納米管(參見:盧怡等.催化輔助爆炸法合成碳納米管[J].高等學校化學學報，2003，06: 1063-1066)。此種方法使用凝聚相炸藥作為爆源，不僅對設備要求嚴格，而且制備條件復雜、產物中常常含有雜質。還有有學者使用火焰燃燒法在甲烷-空氣受控擴散火焰中合成碳納米管，但只是在以硝酸鎳為催化劑的情況下得到碳納米管，使用二茂鐵為催化劑則不能合成(于溯源等.甲烷受控擴散火焰合成碳納米管的實驗研究[J].熱科學與技術，2007)。這種方法所要求的合成條件較高，只是使用部分催化劑才能得到碳納米管，生產成本較高。因此，發展高效、快速、高產率的合成碳納米管合成方法尤為重要。因此，本發明采用氣相爆轟法與廉價的鐵觸媒進行碳納米管合成，能夠在極短時間內大量的合成較為純凈的碳納米管。

【發明內容】

[0004]本發明的目的是提供一種用氣相爆轟方式來合成碳納米管的方法，其制備方法簡單、高效、廉價、產量大并且純凈。本發明提供的碳納米管的合成方法為氣相爆轟法，將甲烷或乙炔和氧氣混合，加入有機鐵源作為觸媒，充入爆轟管中。調整爆轟管溫度和壓力，點燃混合氣體爆轟，在氣相爆轟管內合成出碳納米管。
[0005]本發明的技術方案:
[0006]—種氣相爆轟法合成碳納米管的方法，步驟如下:
[0007](I)將氣相爆轟管密閉后抽真空，向其中加入有機鐵源，氣相爆轟管加溫至100?180 °C，使有機鐵源蒸發成氣態;所述的有機鐵源為五幾基鐵、九幾基一■鐵、十一■幾基二鐵、二茂鐵、乙酰丙酮鐵中的一種或兩種以上混合；
[0008](2)待有機鐵源充分蒸發成氣態后，向氣相爆轟管內充入碳氫可燃氣體;所述的碳氫可燃氣體為乙炔或甲烷；
[0009](3)再向氣相爆轟管中充入氧氣，直至壓力為0.05?0.2MPa;停止加熱，引爆氣體；
[0010](4)爆轟完畢待氣相爆轟管冷卻后，排氣，收集產物，即為碳納米管;所加入的鐵量與反應產生碳量的摩爾比為1.5?5:100;
[0011]有機鐵源、碳氫可燃氣體與氧氣反應過程中氫原子和氧原子的摩爾比為15?25:10，優選為2:1，以使氫反應，盡量留下大量碳，提高碳納米管的產出率。
[0012]本發明的有益效果:
[0013]I)提供的氣相爆轟法制備碳納米管反應條件溫和、簡單易控；
[0014]2)通過提供高溫高壓的環境，可在極短時間內大量合成碳納米管；
[0015]3)所制備的產物純度較高，生產成本低廉，其結構和性能優越。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明的所用制備裝置示意圖。
[0017]圖2為實施例1碳納米管的X射線衍射圖。
[0018]圖3為實施例1的碳納米管的透射電鏡(TEM)照片。
[0019]圖4為實施例2的碳納米管的透射電鏡(TEM)照片。
[0020]圖中:I爆轟管與加熱系統;2氣體爆轟腔;3密封法蘭;4注入孔；
[0021]5真空表;6進氣閥；7點火電極。
【具體實施方式】
[0022]以下結合附圖和技術方案進一步說明本發明的【具體實施方式】。
[0023]實施例1
[0024]碳納米管的制備:將5.4 X I O—3mo I的二茂鐵Fe (C5H5) 2粉末(含鐵5.4 X I O—3mo I，出碳量5.4 X 10—Vol)通過注入孔加入總體積為7.8L氣相爆轟管中，盡量在管內均勻鋪開，有利于其完全升華。再將氣相爆轟管密閉抽取真空至-0.09MPa，此時爆轟管內的氣體非常少，可看作真空狀態;打開加熱系統，使爆轟管逐漸升溫;待氣相爆轟管溫度被加熱至IlOtC左右時，將0.1 Imol甲烷CH4與0.1 Imol氧氣O2充入爆轟管中(出碳量0.1 Imol);使用高能點火器連接的火花塞產生的電火花引爆氣體。此時停止加熱，片刻后打開密封法蘭收集產物，方可得到碳納米管，反應的理論產碳鐵量為2.2704g(其中含0.3024g鐵)，實際收得含鐵碳納米管1.8g。圖2為產物的X射線衍射圖。通過TEM照片(見圖3、4)，觀察到產物的直徑10-3011111之間，多呈彎曲纏繞狀，長度到達數微米的碳納米管。
[0025]實施例2
[0026]按照實施例1的制備方法，將甲烷用0.1lmol乙炔C2H2替代，其余步驟保持相同，得到碳納米管。
[0027]實施例3
[0028]按照實施例1和實施2的制備方法，將爆轟管預熱溫度范圍從100?180°C，氣體預壓力為0.05?0.2MPa進行調節，氫、氧原子的摩爾比在15?25:10之間，二茂鐵2.7 X 10—3?8.1X 10—3H1l之間，其余步驟保持相同，均能得到碳納米管。實施例4
[0029]按照實施例3的制備方法，2.7X 10—3?8.1 X 10—3mol五羰基鐵Fe(CO)5代替二茂鐵，其余步驟保持相同，均能得到碳納米管。
[0030]實施例5
[0031]按照實施例3的制備方法，2.7 X I O—3-8.1 X I O—3mo I乙酰丙酮鐵Fe [ CH3⑶CHC (O)CH3]3代替二茂鐵，其余步驟保持相同，均能得到碳納米管。
[0032]綜上所述，本發明通過氣相爆轟的方式來合成碳納米管的方法，利用氣體爆轟過程產生的高溫高壓環境，熱解有機鐵，提供了鐵納米顆粒作為合成碳納米管的催化劑，這種合成手段新穎，高效，有望能夠用于大規模的實踐生產中。本發明不局限于上述實施例的參數和配比方案，凡在本發明的精神和原則之內所做的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種氣相爆轟法合成碳納米管的方法，其特征在于，步驟如下: (1)將氣相爆轟管密閉后抽真空，向其中加入有機鐵源，氣相爆轟管加溫至100?180°c，使有機鐵源蒸發成氣態;所述的有機鐵源為五幾基鐵、九幾基一■鐵、十一■幾基二鐵、一■茂鐵、乙酰丙酮鐵中的一種或兩種以上混合； (2)待有機鐵源充分蒸發成氣態后，向氣相爆轟管內充入碳氫可燃氣體;所述的碳氫可燃氣體為乙炔或甲烷； (3)再向氣相爆轟管中充入氧氣，直至壓力為0.05?0.2MPa;停止加熱，引爆氣體； (4)爆轟完畢待氣相爆轟管冷卻后，排氣，收集產物，即為碳納米管;所加入的鐵量與反應產生碳量的摩爾比為1.5?5:100; 有機鐵源、碳氫可燃氣體與氧氣反應過程中氫原子和氧原子的摩爾比為15?25:10。
【文檔編號】C01B31/02GK105836729SQ201610224698
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年4月11日
【發明人】李曉杰, 閆鴻浩, 楊瑞, 王小紅, 王宇新, 孫明
【申請人】大連理工大學