[发明专利]一种碳纳米管和金属纳米颗粒复合物及其合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管和金属纳米颗粒复合物，以及该复合物的合成方法，属于碳纳米管技术领域。

背景技术

碳纳米管由于其独特的电学、光学、光电子、化学、热学等性质，在晶体管、存储器、逻辑器件、场发射器件、传感器等纳电子器件的应用中已展示出广泛用途。

金属纳米颗粒的合成及应用已有较为深入的研究，在催化剂、生物检测、涂料等领域都已经商品化。

结合碳纳米管高的比表面积、优异的导电性、较强的耐腐蚀性和金属纳米颗粒丰富的性能，碳纳米管和金属纳米颗粒复合物已被广泛用于催化、储氢、燃料电池、传感器等领域。例如碳纳米管和铂纳米颗粒的复合物可被用作质子交换膜燃料电池的阴极催化剂，而碳纳米管和铂钌合金纳米颗粒的复合物则被用作甲醇燃料电池的阳极催化剂。与目前已商业化的炭黑和金属纳米颗粒复合物相比，这些碳纳米管和金属纳米颗粒复合物的电催化性能以及稳定性有很大的提高。

已有的文献和专利报道的方法通常需要首先用酸将碳纳米管进行表面氧化处理(Xing，Y.C.，J.Phys.Chem.B，2004，108：19255)，这就破坏了碳管的结构，降低了它的导电性；而且普遍存在复合到碳纳米管表面的金属颗粒尺寸不均一、分散不均匀、团聚现象严重、担载效率低等问题，这些不足都将降低碳纳米管与金属纳米颗粒复合物的催化性能。此外，金属颗粒的聚集严重降低了金属颗粒的利用率，因此就需要担载更多量的金属颗粒才能获得同样的催化效果。这显然不利于催化剂成本的降低。

离子液体具有高热稳定性、高电化学稳定性、可忽略的蒸气压、宽的液态温度区间、可调控的对极性及非极性物质的良好溶解性等优良性质。它能够替代传统有机溶剂介质进行化学反应(特别是催化反应)，从而实现反应过程的绿色化。以离子液体为反应介质合成纳米晶时，纳米晶成核速率快，可得到尺寸小、分布均匀、晶化程度高的纳米颗粒。此外，离子液体对于碳纳米管具有很好的分散性(Fukushima，T.，et al，Science，2003，300：2072)，在合成碳纳米管和金属纳米颗粒复合物的过程中引入离子液体，有利于提高金属颗粒尺寸的均匀性，以及金属颗粒在碳纳米管载体上分散的均匀性，从而改善碳纳米管和金属纳米颗粒复合物的性能。

发明内容

本发明的目的是克服现有碳纳米管和金属纳米颗粒复合物及其合成方法中存在的缺陷，提供一种具有更优性能的碳纳米管和金属纳米颗粒复合物，以及更优的合成方法。

本发明的合成方法无需对碳纳米管进行氧化处理，保证了所合成的复合物中碳纳米管结构完整，从而使其具有未受影响的导电性；同时，本发明在含有金属盐和碳纳米管的多元醇体系中加入少量的离子液体，加热制备碳纳米管与金属纳米颗粒复合物，使得得到的金属颗粒尺寸分布非常窄，其单分散系数可以小于20％，优选为小于15％，且金属颗粒在碳纳米管上分布均匀，担载效率接近百分之百，具有优异的催化效果。此外，本发明中加入的离子液体用量很少，而且离子液体可以回收后循环使用，可以有效地降低工艺成本。

具体来说，本发明提供的碳纳米管和金属纳米颗粒复合物的合成方法包括下列步骤：将碳纳米管与一种或多种金属盐、多元醇及适量离子液体混合，在剧烈搅拌下加热至一定温度下恒温反应一定时间，上述反应物中可以加入适量的水，然后将混合物进行离心分离后得到的沉淀多次洗涤、离心分离后自然风干，即得最终产物。

上述步骤中碳纳米管可以是单壁碳纳米管和/或多壁碳纳米管。

优选地，上述步骤中的金属纳米颗粒可以是铂、金、钌、钯、铑、铱等贵金属纳米颗粒，也可以是铂、金、钌、钯、铑、铱等中的两种金属或多种金属形成的合金纳米颗粒。