[发明专利]一种使用碳包覆金属催化剂制备的碳纳米管材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种使用碳包覆金属催化剂制备的碳纳米管材料及其制备方法，属于碳纳米管材料技术领域。所述制备方法为：将过渡金属前驱体与葡萄糖、柠檬酸钠的水溶液混合，在反应釜中120~200℃反应，得到碳包覆的过渡金属催化剂。然后将过渡金属催化剂置于管式炉中，升温至400~500℃，通入氢气；然后升温至600~800℃，通入氮气与乙炔的混合气作为碳源，在碳包覆过渡金属催化剂表面化学气相沉积生长碳纳米管材料。由于本发明制备的用于化学气相沉积的金属催化剂表面受到碳的包覆，颗粒小且不会在高温下烧结长大，因此本发明制备的碳纳米管管径小且分布均匀。

技术领域

本发明属于碳纳米管材料技术领域，具体涉及一种使用碳包覆金属催化剂制备的碳纳米管材料及其制备方法。

背景技术

一维碳纳米管具有很大的长径比，经过调控，可以获得较大的比表面积和较高的石墨化程度，在超级电容器、催化剂载体、储氢、锂离子电池等领域具有广泛的应用。

碳纳米管的制备方法主要有电弧法、激光法和化学气相沉积法。使用过渡金属催化剂、化学气相沉积制备碳纳米管是其中最普遍的制备方法。该方法成本低、碳源供给率高、产品纯度高。目前普遍接受的生长机理为：高温下，气体碳源在过渡金属催化剂表面发生分解，形成的碳在催化剂颗粒中溶解；随着碳的不断溶解，当达到过饱和时，便从金属中析出，形成碳纳米管。由于这类过渡金属催化剂通常由浸渍法制备，颗粒较大且粒径分布广；而且在高温条件下这类催化剂不可避免的团聚长大，使粒径分布更广。以上两个因素，导致生长的碳纳米管管径大小不一、且管径大。

发明内容

为了解决以上现有技术的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种使用碳包覆金属催化剂制备的碳纳米管材料的制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种由上述方法制备得到的碳纳米管材料。

本发明目的通过以下技术方案实现。

一种使用碳包覆金属催化剂制备的碳纳米管材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)碳包覆金属催化剂的制备：将含过渡金属前驱体水溶液、葡萄糖水溶液(C₆H₁₂O₆)、柠檬酸钠水溶液(Na₃C₆H₅O₇·2H₂O)的混合溶液搅拌均匀，再转移到水热反应釜中，120～200℃反应，然后将反应后的固体抽滤，用去离子水洗涤，烘干备用，得到碳包覆金属催化剂；

(2)使用碳包覆金属催化剂制备碳纳米管材料：将步骤(1)的碳包覆金属催化剂置于管式炉中，通氮气保护，将管式炉温度升温至400～500℃，通入氢气；然后将管式炉温度升温至600～800℃，并通入氮气与乙炔的混合气作为碳源，在碳包覆金属催化剂表面化学气相沉积生长碳纳米管；然后将氮气与乙炔的混合气转换为氮气，自然冷却至室温，得到碳纳米管材料。

优选的，步骤(1)所述过渡金属前驱体为含有铜、铁、钴、镍的无机盐的一种或者几种。

进一步优选的，所述过渡金属前驱体为Cu(NO ₃)₂、FeCl₃、CoCl₂和NiCl₂中的一种或几种。

优选的，步骤(1)所述混合溶液中葡萄糖与过渡金属前驱体的质量比为2:1～5:1，柠檬酸钠与过渡金属前驱体的质量比为1:1～3:1。

优选的，步骤(1)所述反应的时间为12～72h。

优选的，步骤(2)中，通入氢气后保持0.5～2h。

优选的，步骤(2)中，在碳包覆金属催化剂表面化学气相沉积生长碳纳米管的沉积时间为2～4h。