[发明专利]一种磁性金属颗粒修饰碳纳米管的制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及碳纳米管的制备技术，具体为一种磁性金属颗粒修饰碳纳米管的制备方法。

背景技术：

碳纳米管具有独特的一维纳米结构和许多优异的性能，一直是国内外物理化学界和材料学界研究的前沿和热点。碳纳米管经表面修饰后，其在某些方面的性能更为突出，或具有原本并不具有的性能，从而能够满足各种不同应用的要求，对于拓展碳纳米管应用领域具有重要意义。如，在碳纳米管表面引入含氧官能团，形成活性位，把金属颗粒如Fe、Co和Ni等均匀地放到到碳纳米管表面的活性位，得到金属颗粒均匀修饰的碳纳米管，可望在催化领域、磁性分离、金属基复合材料以及储能材料等方面具有广泛的应用前景。

当前，制备金属颗粒修饰碳纳米管主要是用各种后处理方法实现的，既先制备出碳纳米管后，通过对碳纳米管进行表面处理，使其表面形成活性位，最后在碳纳米管表面活性位添加上各种金属颗粒。为了使碳纳米管表面形成活性位(如各种含氧官能团)，后处理方法通常要使用强酸如浓硫酸(硝酸等)在120℃下长时间处理碳纳米管，这会使碳管结构破坏严重，极大降低了材料性能，因此限制其在复合材料、储能材料以及催化剂载体等领域的广泛应用。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种大量制备磁性金属铁(钴、镍)颗粒修饰碳纳米管的新方法，该方法具有设备简单，操作容易，能耗低，产物纯度高、可控性高及有望连续、大量生产等优点，因此可作为一种适于可控制备的理想方法。

本发明的技术方案是：

本发明提供了一种高质量磁性金属(铁、钴、镍)颗粒修饰碳纳米管的制备方法，该方法采用有机金属化合物碳源、催化剂、缓冲气体和含硫生长促进剂，有机金属(铁、钴或镍)化合物催化剂直接快速升华；或者，有机金属化合物催化剂升华并与硫在气态下充分混合均匀；然后，输入反应区生成磁性金属铁(钴、镍)颗粒修饰碳纳米管，其中：

采用有机金属化合物同时作为碳源和催化剂前驱体，有机金属化合物为二茂铁、二茂镍或二茂钴等之一种或两种以上易挥发的有机金属化合物，金属茂合物挥发温度为100～350℃，优选为100～250℃范围内；

含硫生长促进剂为硫粉或含硫有机化合物，如：噻吩、二硫化碳或硫化氢等；其中，硫与有机金属化合物中的铁(钴、镍)摩尔比为0～1/4，优选为0～1/10；

缓冲气体为氢气、氩气、氮气之一种或两种以上的混合气体。在标准大气压下，缓冲气体在反应区的流速为0.16～3m/s，优选为1.2～2m/s范围内；

最终反应温度700℃～1350℃，保温5～180min，优选为5～20min；

所用升温速率为10～60℃/min，优选为20～40℃/min。

本发明的特点及有益效果是：

1.本发明通过快速升华有机金属化合物，使生成的磁性金属(铁、钴、镍)颗粒修饰的碳纳米管，金属颗粒的含量为20～40wt％；金属颗粒的直径可以在5～50nm范围内进行调节。

2.本发明采用有机金属化合物同时作为碳源和催化剂前驱体，通过控制硫的含量，从而实现磁性金属(铁、钴、镍)颗粒修饰的碳纳米管的生长并能够控制金属颗粒的直径。

3.本发明通过控制有机金属化合物的升华温度和硫原子在反应区的浓度，从而实现磁性金属颗粒修饰碳纳米管的生长并能够控制磁性金属(铁、钴、镍)颗粒的直径。具体过程如下：(1)金属有机化合物被加热形成气态，连同被加热成气态的硫粉或小流量缓冲气体带来的低温下挥发的硫的碳氢化合物或小流量含硫的化合物气体，和缓冲气体混合均匀并预热后，一起导入反应区；(2)在反应区，金属有机化合物就会分解，游离出金属原子，在气流的作用下，游离的金属原子碰撞，形成一定尺寸的颗粒；(3)金属有机化合物裂解生产的碳在一部分金属颗粒的催化下，发生分解反应，并经过溶解、扩散过程，在催化剂颗粒上结晶析出，生成碳纳米管；(4)大量过剩的金属颗粒沉积在新生成的碳纳米管表面上，从而形成磁性金属(铁、钴、镍)颗粒修饰的碳纳米管。

附图说明：

图1.金属颗粒修饰的碳纳米管扫描电镜照片。

图2.金属颗粒修饰的碳纳米管透射电镜照片。

图3.金属颗粒修饰的碳纳米管磁学分析。

图4.金属颗粒修饰的碳纳米管热失重分析。

具体实施方式：

实施例1

载气氢气流速为1.6cm/s，称量5克二茂铁与硫粉的混合物，其中二茂铁和硫粉重量比为100∶1，其挥发温度为200℃，反应区温度为1100℃，升温速率为20℃/min，保温5min，最终生成产物呈黑色粉末状。