[发明专利]一种碳纳米管基磁性纳米复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料合成技术领域，更具体地说，涉及一种碳纳米管基磁性纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

自1991年日本S. Iijima发现碳纳米管（Carbon nanotubes， CNTs）以来，碳纳米管以其独特的一维纳米结构、极高的长径比、可与金刚石媲美的硬度、高韧性、优异的导电性、导热性以及独特磁学性能，被广泛应用在场致电子发射、高频宽带电磁波吸收及导热、储氢和催化等多个领域。

但碳纳米管存在易聚集成束或缠绕、在绝大多数的溶剂中难溶的缺点，同时与其他纳米粒子相比，其是由单层或多层石墨卷曲而成的无缝管状结构，每层纳米管是由一个碳原子通过SP²杂化与周围三个碳原子完全键合而成的六边形平面组成的圆柱面，其近乎完美的结合结构，阻碍了不纯物质及缺陷的介入，使其具有超强的力学性能和很高的化学稳定性，因此其化学活性甚至比石墨还低，表现出相对较高的化学“惰性”。以上这些缺点极大地制约了其广泛应用。

因此，对碳纳米管的表面进行改性已成为碳纳米管基材料的研究热点之一。为消除这些限制，通常采用强酸等氧化剂对碳纳米管进行，使碳管的表面生成羟基或羧基等含氧官能团。然而对碳管进行氧化处理会“剪断”或“剪开”碳管，从而改变其原有的结构，影响其原有的性能。另一方面，强酸处理方式也对环境产生了负面影响。而其它改性方法虽然也能在一定程度上提高碳纳米管的分散性、亲水性及化学活性，但也会在一定程度上削弱其其它相关性能。近年来，通过对碳纳米管进行离子掺杂，以提高碳纳米管的应用性能，成为碳纳米管合成和应用领域的研究热点之一。对碳纳米管进行掺杂不仅可以改善其分散性，解决碳纳米管在实际应用中难分散的缺点，而且掺杂原子能够改变碳纳米管局部电荷密度，提高碳纳米管的电子传递性，降低电阻系数。

CN_x是一类具有管状结构的特殊碳材料，其具有与普通碳管相似的吸附性能、力学、热力学稳定性能。同时，相对于碳原子，氮比碳要多一个电子，这些额外的电子可以充当载流子，因而 CN_x表现出n-型半导体的一般特性。此外，由于N原子上成单的电子对和氮原子上额外的电子，CN_x能够显现出增强的共轭效应和独特的电学及化学性能。一方面，π电子云在碳纳米管表面的引入，使得掺氮碳纳米管表面层呈现出一定的电负性，可广泛应用于催化、吸波及电子器件等领域。另一方面，CN_x框架上的N原子可以作为化学活性位点，进而能够在无需表面处理的情况下，实现金属、氧化物及其他半导体材料等在其碳纳米管表面的负载。最近，金属、氧化物等在氮掺杂碳纳米管表面的包覆和负载从而形成复合材料的研究已经成为一个极其重要的领域。铁磁性金属是一类重要的软磁材料，主要为3d过渡族金属中的铁系金属，即Fe，Co，Ni及其合金，其广泛应用于电子器件、信息储存、催化、隐身等领域。

由于铁磁性金属的铁磁性来源于其巡游的3d电子，其饱和磁矩由能带结构决定，当磁性颗粒的粒径减小到纳米尺度时，其表面配位数的降低引起能带结构的变化，纳米颗粒的原子磁矩通常会随颗粒尺寸的变化而变化。此外，磁性颗粒的形状和结构对其磁性能也有重要影响，例如，通过对磁性颗粒形状的控制，可以提高相应的磁记录密度，改善材料的动态磁性。因此，将铁磁性金属与氮掺杂碳纳米管进行复合，得到形貌和结构特殊的新型微纳米磁性复合材料并对其性能进行研究已成为当前研究的热点。由于碳纳米管与铁磁性金属粒子协同作用，在这些复合材料能够显示出优异的增强效果。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种碳纳米管基磁性纳米复合材料及其制备方法，其制备工艺简单、 成本低廉。得到的碳纳米管基磁性纳米复合材料具有优异性能。

本发明中采用化学气相沉积法制备了氮掺杂碳纳米管，然后用溶剂热法在掺氮碳纳米管上负载铁磁性金属纳米颗粒，从而得到碳纳米管基磁性纳米复合材料。具体技术方案如下。

本发明提供一种碳纳米管基磁性纳米复合材料的制备方法，具体步骤如下：

（1）氮掺杂碳纳米管CNx的制备

将处理过的分子筛于可溶性铁盐溶液中浸渍，之后干燥、焙烧，得到含铁的碳纳米管制备用催化剂；再在上述催化剂作用下，以有机胺为碳源和氮源，通过化学气相沉积法制备氮掺杂碳纳米管CNx；

（2）碳纳米管基磁性纳米复合材料的制备

① 将步骤（1）制备得到的氮掺杂碳纳米管CN_X用NaOH或HF处理，去除其中残留的分子筛；