一种单壁碳纳米管粉体的制备方法与流程

1.本发明属于碳纳米管及其制备技术领域，具体涉及一种单壁碳纳米管粉体的制备方法。


背景技术：

2.碳纳米管形状为一维的圆柱形中空结构，也可以理解为是石墨片层结构卷曲而成，分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。其直径为几个至数百纳米左右，长度一般在微米级，为直径数倍甚至数万倍，由此碳纳米管具有较大的长径比。从性能来看，碳纳米管具有良好的导热、导电及力学强度，其可用于复合材料、添加剂等，增强材料的强度、导电性等。从制备方面说，碳纳米管的制备方法包括电弧放电、激光蒸发、化学气相沉积等方法。目前所已知单壁碳纳米管厂家主要采用电弧放电法批量制备或生产单壁碳纳米管，电弧放电法虽然简单，但产物复杂，造成纯度低，且能耗大，经济性不好等缺点。
3.相比于多壁碳纳米管，单壁碳纳米管在使用过程中具有明显的优势，添加量低，在一些有颜色要求的方向上比多壁碳纳米管应用范围更加广泛。
4.申请公布号为cn 101941691a即公开了单壁碳纳米管的制备方法，1)制备含铁催化剂碳电极棒；2)用做好的电极棒作为阳极，以纯碳电极为阴极；3)在氢气、或氢气与其他惰性气体的混合气体中，在静态或动态气氛中，以直流或交流的方式进行放电，使产生电弧而使电极蒸发，在电弧设备腔体内得到的产物即单壁碳纳米管。但这种方法得到的碳纳米管纯度一般比较低，需要进一步酸化纯化或高温纯化，会对碳纳米管结构造成不可逆的破坏且不利于环境保护和降耗；另一方面从能耗角度不适合批量化制备生产。
5.申请公布号为cn 110980891a即公开了一种直径可控、高纯度单壁碳纳米管的宏量制备方法，其方法为常规的浮动催化剂化学气相沉积法，以氢气为载气，过渡金属的化合物为催化剂，硫为生长促进剂，通过调变反应体系热力学和动力学条件，实现单壁碳纳米管的制备。但该方法载气为纯氢气，危险系数极高，且生长出的单壁碳纳米管，管径分布并不均匀，因单壁碳纳米管管径分布在1.5nm～2nm之间，而该法制备出的碳纳米管管径在3nm～15nm左右，性能与纯单壁碳纳米管有30％～50％的差距。


技术实现要素：

6.本发明解决了现有单壁碳纳米管纯度低、管径分布不均的技术问题，而提供了一种单壁碳纳米管粉体的制备方法。
7.本发明的一种单壁碳纳米管粉体的制备方法按以下步骤进行：
8.一、在惰性气体保护下将反应腔体升温至600～1200℃，保温30min～60min；
9.二、向反应腔体中持续通入惰性气体、氢气和气态含碳有机物的混合气体，同时向反应腔体中射入过渡金属等离子体，反应时间为0.2h～10h，得到单壁碳纳米管粉体。
10.进一步限定，步骤一中以3℃/min～7℃/min的升温速率将反应腔体升温至600～1200℃。
11.进一步限定，步骤一中以5℃/min的升温速率将反应腔体升温至700℃。
12.进一步限定，步骤一中所述反应腔体为立式管式炉或卧式管式炉。
13.进一步限定，步骤一中所述惰性气体为氮气、氩气或氦气。
14.进一步限定，步骤二中所述惰性气体为氮气、氩气或氦气，所述气态含碳有机物为含碳有机气体或气化的有机液体。
15.进一步限定，所述含碳有机气体为甲烷、天然气、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯中的一种或几种按任意比的混合。
16.进一步限定，所述气化的有机液体为无水甲醇、无水乙醇、苯、甲苯、二甲苯中的一种或几种按任意比的混合。
17.进一步限定，所述有机液体的气化温度为100～300℃。
18.进一步限定，步骤二中所述混合气体中惰性气体、氢气和气态含碳有机物的流量比为(0.5～10)：(2～8)：1。
19.进一步限定，步骤二中所述过渡金属等离子体为铁、钴、镍、铜、锌、锰、铬、钒中的一种或几种等离子体按任意比的混合。
20.进一步限定，步骤二中所述发射过渡金属等离子体的电流为3ma～200ma。
21.进一步限定，步骤二中所述发射过渡金属等离子体的电流为20ma。
22.进一步限定，步骤二中所述反应时间为0.5h。
23.本发明制备的一种单壁碳纳米管粉体的微观形貌为具有取向性的管束，其管径为1.5nm～3nm，碳含量为85％以上，碳含量优选为90％以上。
24.本发明相比现有技术具有的优点：
25.本发明制备出的高品质的单壁碳纳米管，其管径为1.5nm～3nm，碳含量为85％以上，无需进一步纯化处理即可作为最终产品，最大限度的保留其良好的结构，以确保性能的发挥。其可应用于多种材料的导电添加剂，以及具有机械性能增强效果。
附图说明
26.图1为具体实施方式一的单壁碳纳米管粉体的sem图；
27.图2为具体实施方式二的单壁碳纳米管粉体的sem图。
具体实施方式
28.具体实施方式一：本实施方式的一种单壁碳纳米管粉体的制备方法按以下步骤进行：
29.一、在n2保护下以5℃/min的升温速率将反应腔体升温至660℃，保温45min；
30.二、向反应腔体中持续通入n2、h2和c3h6的混合气体，同时以5ma的发射电流向反应腔体中射入铁等离子体，反应时间为0.25h，得到黑色粉体232mg，即单壁碳纳米管粉体，管径为2.3nm，碳含量为88.50％，纯度为86.45％；其中混合气体中n2、h2和c3h6的流量比为3：4：1。所得单壁碳纳米管粉体的sem图如图1所示。
31.具体实施方式二：本实施方式的一种单壁碳纳米管粉体的制备方法按以下步骤进行：
32.一、在ar保护下以5℃/min的升温速率将反应腔体升温至710℃，保温50min；
33.二、向反应腔体中持续通入ar、h2和c3h8的混合气体，同时以8ma的发射电流向反应腔体中射入钴等离子体，反应时间为35min，得到黑色粉体315mg，即单壁碳纳米管粉体，管径为1.8nm，碳含量为86.50％，纯度为84.25％；其中混合气体中ar、h2和c3h8的流量比为1.5：2：1。所得单壁碳纳米管粉体的sem图如图2所示。
34.具体实施方式三：本实施方式的一种单壁碳纳米管粉体的制备方法按以下步骤进行：
35.一、在ar保护下以5℃/min的升温速率将反应腔体升温至850℃，保温40min；
36.二、向反应腔体中持续通入ar、h2和经150℃气化的无水乙醇的混合气体，同时以10ma的发射电流向反应腔体中射入铁等离子体，反应时间为40min，得到黑色粉体504mg，即单壁碳纳米管粉体，管径为2.35nm，碳含量为89.35％，纯度为86.55％；其中混合气体中ar、h2和经150℃气化的无水乙醇的流量比为1.5：2：1。
37.具体实施方式四：本实施方式的一种单壁碳纳米管粉体的制备方法按以下步骤进行：
38.一、在ar保护下以5℃/min的升温速率将反应腔体升温至750℃，保温35min；
39.二、向反应腔体中持续通入ar、h2和c2h4的混合气体，同时以15ma的发射电流向反应腔体中射入铁等离子体和钴等离子体的混合物(fe、co质量比为3：1)，反应时间为35min，得到黑色粉体457mg，即单壁碳纳米管粉体，管径为1.95nm，碳含量为88.65％，纯度为87.35％；其中混合气体中ar、h2和c3h8的流量比为2：4：1。
40.具体实施方式五：本实施方式的一种单壁碳纳米管粉体的制备方法按以下步骤进行：
41.一、在ar保护下以5℃/min的升温速率将反应腔体升温至790℃，保温45min；
42.二、向反应腔体中持续通入ar、h2和ch4的混合气体，同时以20ma的发射电流向反应腔体中射入铁等离子体和钴等离子体的混合物(fe、co质量比为1：2)，反应时间为30min，得到黑色粉体256mg，即单壁碳纳米管粉体，管径为1.5nm，碳含量为86.35％，纯度为85.25％；其中混合气体中ar、h2和c3h8的流量比为1：2：1。