一种氢电弧法制备单壁纳米碳管的提纯方法

摘要

本发明涉及纳米炭管技术，为了提高氢电弧法制备的单壁纳米碳管的提纯收率，使操作相对较简单，本发明提供了一种氢电弧法制备单壁纳米碳管的提纯方法，由氢电弧法制备的单壁纳米碳管经超声振荡、酸洗、去离子水冲洗，最终得到纯净的单壁纳米碳管，其特征在于在酸洗前进行水煮和定量空气氧化：水煮温度100℃，时间10－50小时；在空气量为1－3L/每克单壁纳米碳管的密闭系统中，490－600℃氧化15－60mins。

说明书

技术领域：

本发明涉及纳米炭管技术，特别提供了一种由氢电弧法制备的单壁纳米碳管的提纯方法。

背景技术：

目前单壁纳米碳管的大量制备为研究其物理和化学特性及实际应用提供了可能，但利用各种方法合成出的单壁纳米碳管常常伴生有相当数量的杂质，如碳纳米颗粒、无定形炭、碳纳米球及催化剂粒子等。这些杂质的存在极大地阻碍了单壁纳米碳管的物性研究和实际应用。因此对单壁纳米碳管的纯化研究已得到越来越多的重视。

到目前为止，关于单壁纳米碳管提纯方法的报道各种各样，但所利用的各种提纯单壁纳米碳管的方法中，在空气或氧气中氧化是最简单和最常用的方法。但是由于单壁纳米碳管对氧的反应活性与无定性炭、碳纳米颗粒等杂质与氧的反应活性非常相近，因此在去除无定性炭、碳纳米颗粒等杂质的同时会损失大量的单壁纳米碳管。为此人们正在努力寻找一种简单、有效、损失少的提纯方法。

发明内容：

为了提高氢电弧法制备的单壁纳米碳管的提纯收率，使操作相对较简单，本发明提供了一种氢电弧法制备单壁纳米碳管的提纯方法，由氢电弧法制备的单壁纳米碳管经超声振荡、酸洗、去离子水冲洗，最终得到纯净的单壁纳米碳管，其特征在于在酸洗前进行水煮和定量空气氧化：

——水煮温度100℃，时间10-50小时；

——在空气量为1-3L/每克单壁纳米碳管的密闭系统中，490-600℃氧化15-60mins。

本发明氢电弧法制备单壁纳米碳管的提纯方法中，所述酸洗指在10-37wt％的盐酸中浸泡至无色；所述超声振荡时间30-80mins。

本发明中所述氢电弧法制备的单壁纳米碳管平均直径在1.85nm，其纯度为50～75wt％，Ni为10～20wt％，Fe为1～5wt％，Co为1～5wt％，其它为石墨粉、无定形炭等杂质。

本发明具有下述特点：

1.通过水煮单壁纳米碳管，使得水分子撞击单壁纳米碳管的表面(近似于一种分子尺度的球墨)，使得无定形炭、碳纳米颗粒及石墨粉从单壁纳米碳管的表面脱落下来。这样当无定形炭、碳纳米颗粒及石墨粉在空气中氧化时，由于碳纳米管距离其相对较远，不会获得过多的热量而氧化掉。因而提高了纳米碳管的收率和纯度。

2.在固定量空气中氧化：由于无定形炭、碳纳米颗粒及石墨粉的氧化温度较氢电弧法制备的单壁纳米碳管的氧化温度低，即：在相同温度及定量空气中，无定形炭、碳纳米颗粒及石墨粉与氧的反应活性高。从而，在氧化时，具有较高反应活性的无定形炭、碳纳米颗粒及石墨粉优先氧化。

以本发明方法对上述氢电弧法制备的单壁纳米碳管进行提纯，其纯度可达到96wt％左右，提纯收率约为41wt％(提纯后样品的重量/提纯前样品的重量)。

附图说明：

附图1为氢电弧法制备单壁纳米碳管的提纯方法流程图；

附图2.未经提纯的单壁纳米碳管的透射电镜照片；

附图3.提纯后的单壁纳米碳管的透射电镜照片。

具体实施方式：

本发明实施方案均为由氢电弧法制备的直径为1.85nm的单壁纳米碳管经超声振荡、水煮、定量空气中氧化、酸洗、去离子水冲洗，最终得到纯净的单壁纳米碳管。其实验流程图如图1。

实施例1

取用专利号为99113021.9的方法制得的，平均直径为1.85nm的单壁纳米碳管1g，超声振荡30分钟，水煮10小时，500℃，1L空气中氧化30mins，将氧化后的样品浸泡于盐酸溶液中至溶液呈无色，用去离子水冲洗至PH值为7，最后烘干样品。得到的样品纯度为95.8wt％，提纯收率为41％。

实施例2

取用专利号为99113021.9的方法制得的，平均直径为1.85nm的单壁纳米碳管1g，超声振荡30分钟，水煮50小时，500℃，1L空气中氧化30mins，将氧化后的样品浸泡于盐酸溶液中至溶液呈无色，用去离子水冲洗至PH值为7，最后烘干样品。得到的样品纯度为96.2wt％，提纯收率为40.9％。

实施例3

取用专利号为99113021.9的方法制得的，平均直径为1.85nm的单壁纳米碳管1g，超声振荡30分钟，水煮50小时，580℃，1L空气中氧化20mins，将氧化后的样品浸泡于盐酸溶液中至溶液呈无色，用去离子水冲洗至PH值为7，最后烘干样品。得到的样品纯度为96.3wt％，提纯收率为40.8％。

实施例4

取用专利号为99113021.9的方法制得的，平均直径为1.85nm的单壁纳米碳管1g，超声振荡30分钟，水煮50小时，550℃，1L空气中氧化50mins，将氧化后的样品浸泡于盐酸溶液中至溶液呈无色，用去离子水冲洗至PH值为7，最后烘干样品。得到的样品纯度为96.4wt％，提纯收率为40.3％。

实施例5

取用专利号为99113021.9的方法制得的，平均直径为1.85nm的单壁纳米碳管1g，超声振荡30分钟，水煮50小时，550℃，5L空气中氧化30mins，将氧化后的样品浸泡于盐酸溶液中至溶液呈无色，用去离子水冲洗至PH值为7，最后烘干样品。得到的样品纯度为96.5wt％，提纯收率为40.1％。

实施例6

取用专利号为99113021.9的方法制得的，平均直径为1.85nm的单壁纳米碳管1g，超声振荡30分钟，水煮50小时，550℃，3L空气中氧化30mins，将氧化后的样品浸泡于盐酸溶液中至溶液呈无色，用去离子水冲洗至PH值为7，最后烘干样品。得到的样品纯度为96.4wt％，提纯收率为40.4％。

为了验证上述提纯方法的有效性，本发明对上述单壁纳米碳管进行了对比实验，既将单壁纳米碳管进行上述处理，但氧化是在流动的空气中进行，实验结果表明，提纯的收率很低。

比较例1

取用专利号为99113021.9的方法制得的，平均直径为1.85nm的单壁纳米碳管1g，超声振荡30分钟，500℃，1L空气中氧化30mins，将氧化后的样品浸泡于盐酸溶液中至溶液呈无色，用去离子水冲洗至PH值为7，最后烘干样品。得到的样品纯度为85wt％，提纯收率为43％。

比较例2

取用专利号为99113021.9的方法制得的，平均直径为1.85nm的单壁纳米碳管1g，超声振荡30分钟，水煮10小时，500℃流动的空气中氧化30mins，将氧化后的样品浸泡于盐酸溶液中至溶液呈无色，用去离子水冲洗至PH值为7，最后烘干样品。得到的样品纯度为95.9wt％，提纯收率为15％。