[发明专利]一种高纯度碳纳米线圈合成用催化剂的一步水热合成方法及其应用

说明书

本发明提供一种高纯度碳纳米线圈合成用催化剂的一步水热合成方法及其应用，属于材料制备技术领域。本发明是将可溶性Fe3+盐和可溶性Sn4+盐溶解于尿素的水溶液中，采用一步水热法制备Fe‑Sn‑O催化剂颗粒，并利用所制备催化剂采用热化学气相沉积法合成高纯度且副产物极少的碳纳米线圈。本发明提供的制备方法工艺简单、绿色环保、成本低廉，得到的产物形貌均匀，有益于工业大规模制备。

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，涉及一种高纯度碳纳米线圈合成用催化剂的一步水热合成方法及其应用。

背景技术

具有手性螺旋结构的碳纳米线圈在复合材料、储能、场发射器件、传感器、电磁波吸收材料、微机械系统中都有广泛的应用前景，因此高效、低成本、绿色的方法来制备高纯度CNC非常重要。

目前为止最适合大规模制备CNC的方法是化学气相沉积法(CVD)，该方法需要活性优异的催化剂来分解碳源气体，并通过其各向异性引起的析碳能力不同从而导致螺旋生长。目前报道的催化剂主要以物理气相沉积、化学共沉积法为主，但存在产率低，副产物碳层厚这一问题。另一方面，物理气相沉积通常需要昂贵的真空设备，不利于大规模制备。现有技术针对上述问题主要的解决方法是采用如N，N-二甲基甲酰胺(DMF)等有机还原性溶剂利用溶剂热法制备催化剂用于高纯度的CNC制备[参见中国专利申请号：201811189147.4]，但是有机溶剂往往会带来污染性副产物，且后处理清洗较为困难，因此迫切需要找到一种绿色环保且成本低廉的催化剂制作方法用于制备高纯度CNC。

发明内容

本发明的目的是针对目前高效合成碳纳米线圈过程中，催化剂合成过程复杂、产物污染环境、成本高昂这一问题，提供一种一步水热法制备Fe-Sn-O催化剂颗粒的方法。该方法采用水作为溶剂，尿素作为还原剂，具备高效、绿色、低成本的特征。另外，采用本发合成的催化剂制备的碳纳米线圈具有纯度高，副产物极少的优点，使得本发明具备突出的产业化应用前景。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种高纯度碳纳米线圈合成用催化剂的一步水热合成方法，具体方法为：采用可溶性Fe³⁺盐和可溶性Sn⁴⁺盐为原料，将其溶解于含有尿素的水溶液中得到催化剂前驱体溶液，其中，Fe³⁺/Sn⁴⁺混合溶液的浓度范围是0.01-0.2mol/l。将催化剂前驱体溶液转移至反应釜中，利用水热法在120-200℃反应4-20小时，清洗干燥后得到催化剂粉末，催化剂主要由Fe-Sn-O组成，催化剂纳米颗粒的尺寸为50-500nm。

所述的Fe³⁺盐和Sn⁴⁺盐中，Fe：Sn的原子摩尔比30:1～5:1。

所述的含有尿素的水溶液中，尿素浓度为10mg/ml-50mg/ml。

所述的可溶性Fe³⁺盐包括但不限于氯化铁、硝酸铁、硫酸铁等，可溶性Sn⁴⁺盐包括但不限于氯化锡，Sn⁴⁺盐与Fe³⁺盐可以任意组合。

采用上述合成方法制备得到的催化剂的应用，采用该催化剂催化合成副产物极少的高纯度碳纳米线圈，具体方法为：将制备得到的催化剂粉末分散至水或乙醇中，其中分散液浓度为0.1-5mg/ml，清洗担载衬底。量取催化剂分散液滴涂、旋涂或喷涂至衬底表面，基板表面催化剂担载量为0.1-1mg/cm²，实现催化剂颗粒在基板上的均匀担载及相互堆积接触。将干燥后将其放至于CVD系统中利用化学气相沉积技术合成高纯度(纯度大于95％)碳纳米线圈，产物与担载基本之间无非晶碳层。

所述的衬底包括石英片、硅片、SiO₂片、石墨基板、不锈钢或和氧化铝基板。