[发明专利]一种长度可控的碳纳米管截短方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳纳米管的可控截短方法，具体地说是一种温和条件下的化学氧化截短方法，属于纳米催化材料的制备领域。

背景技术

碳纳米管是一种具有许多奇异特性的新颖碳材料，如高强度，低密度，强导电能力，高比面积等，因此在催化、材料工程、电子等领域具有广阔的应用前景。然而，无论用CVD或者是电弧放电的方法制得的碳纳米管长度都在十几到几百微米长，在这些领域中应用的时候，都涉及到如何将碳纳米管截短，从而更好地发挥碳纳米管的优异性能的问题。

文献上，对碳纳米管的截短方法主要有化学方法和物理方法两种，或者同时复合采用两种方法。

化学方法主要是采用氧化剂氧化碳管管壁来达到截短的目的，包括浓酸和氧化性气体处理两种。如Liu等(Science，1998，280，1253)所采用的3∶1浓硫酸和浓硝酸的混和物在70℃处理单壁碳纳米管，可以得到多数长度低于400纳米的碳纳米管。该方法的特点是酸首先攻击管壁缺陷地方，如管顶端及管壁上的缺陷，若氧化性足够强，则对所有管壁同时进行氧化，酸处理对于管壁的腐蚀非常严重，使得碳管的机械强度等性能参数大大降低，且直径比较小的碳纳米管往往被完全腐蚀掉，这种方法得到的碳纳米管收率也比较低，对于单壁管收率只有30％或者更低。氧化性气体处理的方法如专利WO2003086969、US2003010940和CN1628075A所述，以氟化剂与碳管反应，从而将碳管截短，这种处理方法和采用浓酸处理一样，同样存在碳管壁破坏严重及收率低的问题。

文献(Journal of materials chemistry，2006，16，4231)采用了一种固相氧化反应的方法来截短碳纳米管。此方法先将Ni粒子担载于碳纳米管上，然后在空气中400℃氧化处理2小时，然后再在He气中加热到900℃，得到截短的碳纳米管。然而，此方法的处理温度很高，并且Ni的担载量高达50％，Ni粒子几乎完全覆盖碳纳米管的表面，在空气中长时间氧化必然伴随着大量的质量损失，因此收率会比较低，且得到碳纳米管的长度无法有效地控制。

物理的方法主要是采用球磨、高功率超声、超高电压等手段来破坏碳管的壁来实现对碳管的截短。球磨的方法如Pierard等(Chemical Physics Letters，2001，335，1)采用的，将碳纳米管与高强度的研磨剂混和，然后在球磨机中进行长时间的球磨将碳纳米管截短。这种截短方法碳纳米管的收率要高一些。但是，球磨的处理方法往往所需要的时间比较长，如(Chemical Physics Letters，2001，335，1)中报道的，得到500纳米左右的碳管需要球磨120小时。此外，切短的碳纳米管与研磨剂混和在一起，难以分离出来。高功率超声及超高电压的方法如文献(carbon，1996，34，814)和文献(US2007119372-A1)所述，这两种方法只限于处理微量的碳纳米管用于研究的目的，对于大规模的应用则缺乏现实意义。

发明内容

本发明提供了一种温和条件下长度可控的碳纳米管截短方法。与前述的文献中截短方法相比，该方法的优点在于处理条件温和，碳纳米管的长度可以控制并且收率较高，可用于大规模的截短处理。

本发明提供的碳纳米管截短方法如下所述：将碳纳米管表面进行亲水性处理，然后将金属催化剂分散在碳管表面，通过控制气氛中氧气的浓度和流速、氧化温度、氧化时间等条件进行氧化处理，最终得到截短的碳纳米管。

根据本发明，具体操作步骤可以分为：碳纳米管表面亲水处理，负载金属，氧化截短。分别详述如下：

(1).碳纳米管的纯化、表面亲水处理

将碳纳米管与稀硝酸在240～480r/min的搅拌速度下混合，然后加热到50～110℃并在此温度下维持0.5～5小时，，得到纯化的、表面亲水的碳纳米管。

所述的碳纳米管包括单壁碳纳米管，双壁碳纳米管及多壁碳纳米管。

所述的稀硝酸是将68％的硝酸与水按照7∶1～2∶1(V_H2O/V_HNO3，体积比)的比例混合得到的。

所述的稀硝酸与碳纳米管的比例范围是20～50(ml/g)。

(2).负载金属

将金属盐溶液与步骤1得到的碳纳米管按照0.005～0.5的比例混合，然后在25-80℃下，以120～240r/min搅拌速率，搅拌至无水状态，在100-150℃烘干后，在流动的气相中加热到300-500℃得到负载金属的碳纳米管，透射电子显微镜表征表明金属纳米粒子均匀地分散于碳纳米管的表面。