[发明专利]一种以二甲硫醚为碳源制备Y形碳纳米管的方法

摘要

本发明涉及一种以二甲硫醚为碳源制备Y形碳纳米管的方法，它是以二甲硫醚为碳源，以硝酸钴、硝酸镁为催化剂，以去离子水为清洗剂和洗涤剂，以稀盐酸为离心分离洗涤剂，以无水乙醇为清洗剂，以氢气为碳源载气和氧化钴还原气体，以氩气为保护气体，以石英舟为产物生长基体，催化剂先经过热分解反应、氢气还原，置于石英舟上，氢气做为碳源载气，将二甲硫醚输入至石英管内，在高温1000℃、氩气保护、催化剂催化下，二甲硫醚进行形态转换、气相沉积、产物生长，由液态-气态-固态，生成黑色空心Y形碳纳米管，此方法工艺流程短，产物形貌规则，直径为50-60nm，空心直径为30-40nm，最大长度为30000nm，产物纯度高，含碳量为98.9％，产率高达83％，产物化学物理性能稳定。

主权项

1、一种以二甲硫醚为碳源制备Y形碳纳米管的方法，其特征在于：使用的化学物质为二甲硫醚、硝酸镁、硝酸钴、盐酸、氩气、氢气、去离子水、无水乙醇，其组合用量如下：以毫升、克、厘米³为计量单位二甲硫醚：C₂H₆S 200ml±10ml硝酸钴：Co(NO₃)₂ 100g±1g硝酸镁：Mg(NO₃)₂ 100g±1g盐酸：HCL 500ml±10ml无水乙醇：CH₃CH₂OH 500ml±10ml去离子水：H₂O 10000ml±10ml氢气：H₂ 300000cm³±100cm³氩气：Ar 500000cm³±100cm³制备方法如下：(1)、精选化学物质原料对制备所需的化学物质要进行精选，并进行纯度和精度控制：二甲硫醚：液态液体99.0％硝酸钴：固态固体98.0％硝酸镁：固态固体98.0％盐酸：液态液体浓度10％无水乙醇：液态液体99.7％去离子水：液态液体99.7％氢气：气态气体95％氩气：气态气体95％(2)、清洗石英管用去离子水500ml灌洗、刷洗石英管内壁，使其洁净，再用无水乙醇擦洗两端口，清洗后晾干；(3)、超声清洗石英舟将石英舟置于烧杯中，加入无水乙醇100ml，然后置于超声波清洗器中，超声清洗15min；(4)、干燥处理石英舟将超声清洗后的石英舟置于干燥箱中干燥，干燥温度为70℃，干燥时间为25min；(5)、合成催化剂①将硝酸钴3g、硝酸镁10g混合，用玛瑙研钵研磨5min，使两者混合均匀，成：硝酸钴+硝酸镁混合物；②热分解处理：将研磨的硝酸钴+硝酸镁混合物置于烧杯中，然后放入加热炉中，进行热分解处理，热分解温度为600℃±5℃，时间120min±10min，化学热分解反应方程式为：然后随炉冷却至20℃±3℃；③热还原处理：热分解后的氧化钴+氧化镁混合物放入氢气气氛中的加热炉进行还原反应，还原温度600℃±5℃，氢气输入速度为100cm³/min，时间60min±5min，化学还原反应方程式为：然后随炉冷却至20℃±3℃；还原后催化剂为：钴+氧化镁即：Co+MgO④将还原反应的产物收集，即为所需要的催化剂固态粉末；(6)、管式高温炉中制备Y形碳纳米管①将催化剂粉末置于石英舟中；②将装有催化剂的石英舟装入石英管中部高温区段；③将石英管左右部封堵，左部插入氩气管和氢气管，右部插入出气管；④在氢气管路上安装二甲硫醚容器瓶；将液态二甲硫醚100ml±5ml加入无色透明的玻璃容器瓶中，将装有二甲硫醚的容器瓶接入氢气管上的两个三通阀之间，左边三通阀联接氢气流量计及氢气瓶，右边三通阀联接氢气管并伸入石英管内，通过两个三通阀，调节二甲硫醚的输入时段及输入量；⑤开启氩气瓶，向石英管内输入氩气，氩气输入速度为1700cm³/min，输入时间为15min，驱除石英管内有害气体，并由出气管排出；⑥开启氢气瓶，并调节两个三通阀，向石英管内直接输入氢气，氢气输入速度为100cm³/min；⑦开启管式高温炉，使其升温，由20℃±3℃升至1000℃±5℃，升温速度为15℃/min；⑧调节两个三通阀，向石英管内输入氢气+二甲硫醚，容器瓶内的二甲硫醚液体挥发产生蒸汽，在氢气带动下，随氢气一起输入石英管内，输入时间为15min±1min，二甲硫醚在1000℃±5℃状态下，进行裂解反应，在盛有催化剂的石英舟里分解、生长，生成Y型碳纳米管，化学分解反应式如下：式中：C：碳H₂S：硫化氢CH₄：甲烷⑨随炉冷却化学分解反应完成后，关闭管式高温炉，关闭氢气瓶、碳源阀；继续输入氩气，石英舟内产物随炉冷却至20℃±3℃，冷却后关闭氩气瓶，打开石英管，取出石英舟；发明原理：当碳源二甲硫醚在催化剂颗粒上发生分解反应时，会影响催化剂的生长活性点，当一个催化剂上的生长活性点发生位置变化时，就会使生长碳纳米管的方向发生变化，这种生长活性点的多次变化促使了Y型碳纳米管的形成；(7)、收集产物将石英舟中生成的碳纳米管与催化剂钴+氧化镁粉末收集于烧杯中；(8)、用稀盐酸离心分离去除催化剂在盛有产物及催化剂的烧杯中加入浓度为10％的稀盐酸100ml，然后置于离心分离机上进行离心分离，分离转数2700r/min，分离时间15min，催化剂钴+氧化镁溶于稀盐酸，产物碳纳米管在烧杯底部沉淀；离心分离重复进行五次；(9)、去离子水超声清洗五次将离心分离的产物碳纳米管置于烧杯中，加入去离子水100ml，然后置于超声波清洗器中，进行超声清洗，清洗后留下产物，即：黑色、空心、Y形碳纳米管；超声清洗重复进行五次；(10)、真空干燥产物将超声清洗后的产物及烧杯置于真空干燥箱中进行干燥处理，真空度为200Pa，干燥温度70℃±2℃，干燥时间30min±2min，干燥后即得最终产物，即：黑色、空心、Y形碳纳米管；(11)、检测、化验、分析、表征对制取的Y形碳纳米管的形貌、成分、纯度、结构进行化验、分析表征；用X射线粉末衍射仪对产物的晶体结构特征进行检测、分析；用场发射扫描电镜放大10万倍，对产物进行形貌分析；用高分辨电子显微镜放大30万倍，对产物的微观结构进行分析；结论：产物形貌为黑色、空心、Y形碳纳米管，外径为50-60nm，内径为30-40nm，最大长度为30000nm；(12)、产物储存对制备的黑色、空心、Y形碳纳米管置于无色透明的玻璃容器中，密闭储存于干燥、洁净环境，要防水、防潮、防晒、防酸碱盐侵蚀，储存温度20℃±3℃，相对湿度≤10％。