[发明专利]一种碳纳米管/铜催化聚丙烯腈室温环化为石墨的方法

说明书

本发明公开一种碳纳米管/铜催化聚丙烯腈室温环化为石墨的方法，将聚丙烯腈在常温下溶于N,N‑二甲基甲酰胺中，并掺入微量硝酸改性多臂碳纳米管制得溶液，将溶液涂覆在经硝酸刻蚀的多晶铜片上，经低温退火后，在激光的照射下聚丙烯腈会发生环化为石墨，生成石墨类材料；本发明以铜为基底，通过掺杂碳纳米管及激光不仅在完全室温的条件下实现石墨化，并且激光的引入大大提高了石墨化位点的可控性，可实现低消耗高效率生产纳米尺度的石墨，在电子设备，活性碳纤维，复合材料，电池，传感器等领域有着广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及光催化材料领域，特别是一种碳纳米管/铜催化聚丙烯腈室温环化为石墨的方法。

背景技术

石墨质碳质材料通常具有晶域的分布，这些晶域允许电子自由移动以提高电导率。在各种应用中使用的宏观，微米和纳米石墨碳，包括下一代电子设备，活性碳纤维，复合材料，电池，传感器等正在被广泛研究。因此，通过使用较简单和较便宜的制造技术在纳米级器件中获得石墨碳结构的方法是一个有吸引力的探索领域。传统化学或物理方法进行的石墨化研究已进行了超过十年，催化石墨化作为一种较好的方法被广泛应用，其前驱体可以是可碳化的聚合物，或者是已热解的非石墨或半石墨碳。聚丙烯腈作为一种最常用的前驱体由于较高的熔点和碳化率被广泛应用，并且由聚丙烯腈制成的石墨质碳质材料具有更高的强度及导电性。

目前报道的聚丙烯腈石墨化一般需上千度的高温，这极大的提高了生产成本并产生污染物，因此寻找一种成本低廉且可以大规模生产可控石墨化聚丙烯腈的方法已经迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳纳米管/铜催化聚丙烯腈室温环化为石墨的方法，针对目前石墨化聚丙烯腈所需温度高，生产成本大等问题，实现低成本高效催化石墨化聚丙烯腈，达到节约成本及控制聚丙烯腈石墨化位点的目的。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种碳纳米管/铜催化聚丙烯腈室温环化为石墨的方法，具体步骤如下：

（1）超声条件下对多臂碳纳米管进行硝酸改性；

（2）将步骤（1）改性后的碳纳米管常温（25℃左右）下超声溶于N,N-二甲基甲酰胺中，之后加入聚丙烯腈超声搅拌溶解；

（3）用硝酸对干净的多晶铜片进行刻蚀，得到粗糙的铜片；

（4）将步骤（2）得到的溶液旋涂在步骤（3）得到的多晶铜片上，在烘箱中低温退火，之后经激光照射即可将聚丙烯腈石墨化。

步骤（1）硝酸的浓度为9~12mol/L，改性时间为8~10h，温度控制在80~90℃左右。

步骤（2）聚丙烯腈与N,N-二甲基甲酰胺的质量比为1：240~260，多臂碳纳米管与聚丙烯腈的质量比为1：45~55。

步骤（2）中，N,N-二甲基甲酰胺加入步骤（1）所得硝酸改性碳纳米管后先超声8~10h，温度控制在40℃以下；之后再加入聚丙烯腈，然后先搅拌25~35min，再超声25~30min。

步骤（3）硝酸的浓度为2.0~3 .0mol/L，刻蚀时间为15min，刻蚀过程中在集热式恒温加热磁力搅拌器中以450~500rps的转速不断搅拌，保证铜箔每个面都刻蚀均匀，温度为常温，之后用乙醇和超纯水分别清洗2~3次。

步骤（4）旋涂的转速为280~320r/min，时间为28~35s。

步骤（4）退火温度为35~45℃，退火时间为5~7h。

步骤（4）激光波长为532nm，功率为12.5~50mw，激光照射时间为1.5~2.5s。

优选地，步骤（1）硝酸的浓度为10mol/L，改性时间为8~10h，温度控制在85℃左右。