[发明专利]一种去除碳纳米管中非晶碳的方法

说明书

技术领域

本发明属于碳纳米材料制备领域，特别适合碳纳米管或者纳米碳纤维的提纯。

背景技术

不论是电弧法、激光烧蚀法还是催化化学气相沉积法制备的碳纳米管，都不同程度 地含有非晶碳，特别是单壁碳纳米管和双壁碳纳米管产品，非晶碳的重量含量有时达到 98％以上，一般也在90％以上。要获得纯度较高的碳纳米管，都必须经过去除非晶碳的 过程。目前去除非晶碳有多种工艺，如重铬酸钾-硫酸体系、浓硝酸-硫酸体系、过氧化氢 -氢氧化钠体系等液相体系以及空气氧化、二氧化碳氧化、水蒸气氧化、氢气甲烷化等气 相体系，其中空气氧化被认为是最经济和最环境友好的工艺。因为液相体系涉及大量化 学试剂的使用，必定产生大量废弃物，污染环境，同时大量化学试剂也需要很高的成本。 气相体系中除空气氧化可以在较低的温度下(～400℃)进行以外，其它过程都必须在高 温下(＞700℃)进行。高温下操作一方面要耗费大量能源，另一方面碳纳米管在此温度 下也容易发生反应损失。尽管空气氧化可以在较低温度下进行，但非晶碳的氧化是一个 放热过程，氧化反应会造成附近的温度迅速上升，碳纳米管也会因温度升高而被氧化损 失。此外，氧化过程中产生的热气流也会将碳纳米管的粉尘带出，既造成碳纳米管的损 失，也污染环境。综上所述，到目前还没有理想的工艺去除碳纳米管中的非晶碳。

发明内容

本发明的目的是提供一种理想的去除碳纳米管中非晶碳的方法，最大程度地将非晶 碳去除而碳纳米管不被氧化，同时对环境不造成污染。

本发明的目的通过如下过程实现：将碳纳米管悬浮于熔盐液中，向熔盐液中通入氧 气或者空气。在350～600℃温度下，非晶碳首先与氧气或者空气中的氧发生氧化反应生 成二氧化碳，而晶体结构的碳纳米管在此温度下几乎不发生氧化反应。由于熔盐液体系 温度均匀一致，不存在局部过热现象，避免了碳纳米管因局部温度高而被氧化情况的发 生。同时由于碳纳米管一直处于熔盐液中，不容易被气流带出进入环境，不但降低了碳 纳米管的损耗，同时也避免了环境的污染。一段时间后，非晶碳被氧化去除。停止加热， 熔盐液冷却后结块。将熔盐块取出置于纯水中，熔盐完全溶解，过滤或者离心沉降获得 去除非晶碳的碳纳米管。

与现有技术相比，本发明结合了液相体系无局部过热、温度均匀且无粉尘飞扬的优 点以及气相体系无大量化学试剂使用、无废弃物排放、操作简单的优点，不但能在相对 温和的条件下去除碳纳米管中的非晶碳，而且能有效避免因局部过热而造成碳纳米管被 氧化情况出现。

本发明的另一个优点是对反应体系的温度能够精确控制，即使结晶度较高的非晶碳， 只要与碳纳米管的氧化温度有区别，就可以采用本方法去除，而碳纳米管不会大量损失。 本发明方法中氧化反应的温度越高，非晶碳去除得越彻底。但当反应温度与碳纳米管的 氧化温度接近时，碳纳米管也会有一定损失。本发明中最佳反应温度为580℃。

在本发明技术方案中，碳纳米管的加入方式也很关键。如果是在形成熔盐液后加入， 则碳纳米管进入熔盐液比较困难，需要通过强力搅拌。研究发现，将碳纳米管与熔盐的 原料混合在一起就很容易实现碳纳米管在熔盐液中的悬浮。同时，采用该加料方式，很 容易增加碳纳米管的加入量，特别是在碳纳米管的量比较大的情况下。一般情况下，碳 纳米管要吸收相当于自身重量十多倍重量的熔盐液。如果在形成熔盐液后加入，则碳纳 米管的加入量不能达到熔盐液重量的十分之一，因为当碳纳米管量足够多时，熔盐液与 碳纳米管形成膏状物，后续加入的碳纳米管只能在膏状物外表面堆积，不能实现熔盐液 对碳纳米管的浸润，因而不能避免氧化过程中局部过热情况的发生。如果将碳纳米管与 熔盐的原料混合在一起，尽管碳纳米管的量较大，熔盐液也能较好在碳纳米管表面分布。 即使氧化放热，熔盐液也能很快将热量吸收转移。在这种碳纳米管加入方式下，碳纳米 管与熔盐液的重量比最高可以达到1∶1。

如果碳纳米管与熔盐液的重量比比较高，则在氧化过程中会出现反应体系温度快速 上升现象，通过控制通入氧气或者空气的流量可以控制氧化速度，避免反应体系温度的 上升。

本发明所使用的熔盐应该具有如下特点：1、形成熔盐液的温度低于600℃，最好低 于200℃；2、在300-700℃下稳定，无明显分解或者挥发现象发生；3、在水中能够溶解。