[发明专利]一种提高碳纳米管化学活性的方法

说明书

发明领域

本发明涉及一种碳纳米管的纯化和表面改性的方法，特别是涉及一种通过恒电位电解来改变碳纳米管形貌和表面官能团，以提高其化学活性的方法。

背景技术

碳纳米管是一种径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口的一维量子材料。它主要由呈六边形排列的碳原子构成一层或多层的同轴圆管，直径不超过100nm。由于其独特的结构，碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值，如：电化学催化，分子导线，纳米半导体材料，催化剂载体，分子吸收剂，微型模具和近场发射材料等。

目前，碳纳米管主要有三种制备方法，即电弧放电法、激光烧蚀法和固定床催化裂解法。无论是哪种方法生产的碳纳米管，其中都存在有大量杂质，典型的杂质是无定型碳和作为碳纳米管生长载体的纳米金属颗粒。另外，新生产的碳纳米管的管口一般是关闭的，结果导致其比表面积较小。在应用于电化学催化时，碳纳米管表面官能团，特别是亲水的含氧官能团如羟基、羧基的含量对于催化活性影响很大，而工业方法制备出的碳纳米管表面缺少这些含氧官能团，化学活性不高。所以，采取适当的处理方法去掉碳纳米管中的杂质，打开其两端管口，增加含氧官能团含量，是提高其化学活性的有效方法。

目前，碳纳米管的处理方法主要是化学氧化法，最常用的就是高浓度强酸氧化法(如中国专利CN1613755、CN1733602)、氰基取代法(如中国专利CN1587031)和高温煅烧法(如中国专利CN1436722、CN1277148)，高浓度强酸氧化法可以显著提高碳纳米管的化学活性，但高浓度强酸一般具有很强的腐蚀性，操作具有一定的危险性，且需要消耗大量的强酸，价格昂贵且容易造成环境污染；氰基取代法虽然可以控制碳纳米管表面羧基数量，但操作比较复杂，控制也不够灵活，且需要使用含氰基的偶氮物质，容易污染环境；高温煅烧法需要较高的温度，对于碳纳米管的化学活性的提高也比较有限。

总之，化学氧化法依靠的是氧化剂自发地氧化碳纳米管，其过程控制不够灵活，不利于批量生产不同用途的纯化碳纳米管，收率较低，生产成本高。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的碳纳米管处理方法存在的缺点，开发一种安全、环保、低成本、过程可控、收率较高的碳纳米管处理方法，即通过电化学方法对碳纳米管进行氧化处理，从而使其表面改性，最终达到纯化和活化的目的。

本发明提供的处理碳纳米管的电化学氧化方法的原理如下：

把碳纳米管(CNTs)制作为膜状，并作为阳极，铂片电极为阴极，在恒电位电解池中进行恒电位电解，电解液为一定浓度的氯化物溶液。在电解过程中，碳纳米管中无定形碳(C)和金属(M)会被氧化而脱离碳纳米管膜(其中x为正整数)：

C+2H₂O→CO₂↑+4H⁺+4e

M+xCl^-→MCl_x(aq)+xe

碳纳米管表面的官能团也会发生变化：

CNTs-C-H+H₂O→CNTs-C-OH+2H⁺+2e

CNTs-C-OH+H₂O→CNTs-CO-OH+2H⁺+2e

这样，碳纳米管中的杂质(无定形碳和金属颗粒)被除去，并且碳纳米管表面官能团改变为羟基和羧基，从而达到了纯化和活化的目的。

本发明提供的电化学纯化和活化碳纳米管的方法，其步骤如下：

1)把工业生产的碳纳米管用溶剂调和为糊状，利用有机膜作为支撑材料，面积1～1000cm²，将糊状碳纳米管堆积在上面并抹平，碳纳米管糊厚度为0.2～5mm，并在其中固定一根铂丝作为导线，然后在20～80℃的环境下进行于燥，即成碳纳米管膜。

2)氧化处理过程在恒电位电解池中进行，其中碳纳米管膜为阳极，铂片电极为阴极，铂片电极工作面积0.25～100cm²，电解液浓度为0.01～3.00mol/L。电解时，阳极电位控制在1.50～2.50V(相对于饱和甘汞电极)。

3)保持电解电位恒定，电解过程持续0.5～600分钟。

与现有技术相比，本发明所述的优点在于：