[发明专利]一种纳米金属铅粒子填充碳纳米管的方法

说明书

                                技术领域

本发明涉及纳米复合材料的制备方法，具体涉及一种纳米金属铅粒子填充碳纳米管的方法。

                                背景技术

自从碳纳米管被发现以来，由于具有很多新颖独特的特性，在很多方面有着广泛的应用前景，研究人员给予了极大的重视。研究表明，对碳纳米管进行填充制备的碳纳米管复合材料表现出了更加优异的物理和化学特性，如更好的光学性能、导电性能、催化性能、磁性能、吸波性能和电磁屏蔽性能等，具有更广阔的应用前景，因而成为当前研究的一个热点。

碳纳米管的填充是利用中空管这一纳米空间进行纳米级反应，形成纳米复合材料、构筑纳米元件和制备—维纳米导线的有效手段，可以通过以下几种途径来实现：(1)合成过程中的原位填充法，在碳纳米管的生长过程中纳米金属或金属碳化物填充在碳纳米管内，在用电弧放电法制备碳纳米管时，Gd、La、Mn、Nd、Ta、Mo及其碳化物[Liu MQ，et al.Carbon，1995，33(6)：749]，以及Cr、Dy、Yb、Gd、Pd、Fe、Co、Ni及其碳化物[Guerret PC，et al.Nature，1994，372：761]已经被成功填充在碳纳米管内部；也可以通过化学气相沉积法在碳纳米管生长过程中把纳米Fe、Co、Ni等粒子或纳米线填充在碳纳米管内部[Che RC，et al.Advanced Materials，2004，16(5)：401；Bao CNR，et al.Chemical Communication，1998，15：1525；Bao JC，et al.Advanced Materials，2002，14(20)：1483]。(2)物理填充，该法是将碳纳米管与欲填充金属一起高温退火，熔融的金属因毛细管作用而填充进碳纳米管内，低表面张力的Rb、S、Se、Cs等都可以填充在碳纳米管内部[Dujardin E，et al.Science，1994，265：1850]；(3)化学填充，由于物理填充法通常只适用于一些低表面张力的物质，因此对于一些高表面张力的金属和过渡金属而言，化学填充法是目前较为理想的一种方法，化学填充可分为干法熔融填充和湿法填充两种，干法熔融填充主要是利用金属和封闭的碳纳米管在氧化性气氛下共热，发生金属、氧和碳之间的化学反应，生成低表面张力的化合物，从而通过毛细管作用填充进碳纳米管的中空管，通过这种方法金属铅已经填充在碳纳米管内部[Ajayan PM et al.Nature，1993，361：333]。湿化学法填充是将碳纳米管与溶解有金属盐的水溶液反应，在碳纳米管开口的同时金属盐水溶液填充进入碳纳米管中，通过湿化学法填充，碳纳米管内部已经填充了Cr₂O₃等化合物[Mittal J et al.Chemical Physics Letters，2001，339(5-6)：311]，以及Ag粒子和PbO₂等物质[Ugarteet al.Applied PhysicsA67(1)：101-105]。

纳米铅及其化合物在固体推进剂等领域具有优异的催化性能，碳纳米管以其优异的电学、机械性质、吸波特性和独特的孔腔结构引起科学界的广泛关注，将碳纳米管作为第二相物质的纳米容器，尤其作为填充纳米金属物质的纳米容器，具有很好的应用前景，由于纳米金属粒子一般比较容易氧化，将其填充到碳纳米管中，通过碳纳米管的保护作用，可以大大提高纳米金属的抗氧化能力。用低熔点的金属铅蒸发在碳纳米管的表面，然后在空气中400℃加热30min，发现有不到1％的碳纳米管内有铅填充[Ajayan PM et al.Nature，1993，361：333]，另外将碳纳米管与Pb₃O₄在氩气气氛600℃加热，可以将PbO和金属铅填充在碳纳米管内部[Ajayan PM et al.Nature，1993，362：522]，但上述方法金属铅在碳纳米管中的填充率非常低。用湿化学法在碳纳米管中均匀填充纳米金属铅粒子，在管径为10-100纳米不同结构的碳纳米管内填充纳米金属铅粒子，采用不同管径的碳纳米管作为模板控制纳米金属铅粒子的粒径，制备纳米金属铅粒子填充碳纳米管复合材料尚未见文献和专利报道。

基于上述考虑，本发明拟通过湿化学法，开发一种工艺简单，可控性好的制备方法，实现纳米金属铅粒子在碳纳米管内部的均匀填充，制得具有高填充率和粒径可控的纳米金属铅填充碳纳米管复合材料。