[发明专利]一种水分散性碳纳米管的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳纳米管材料制备技术领域，特别是涉及一种水分散性碳纳米管的制备方法，采用混酸水热反应制备水分散性碳纳米管。将单壁或多壁碳纳米管置于硫酸和硝酸的混酸水溶液中进行水热反应，可在碳纳米管表面生成羧基，从而使碳纳米管具有良好水分散性。

背景技术

自1991年日本科学家Iijima教授发现碳纳米管以来，碳纳米管就以其独特的结构和优良的光学、电学和力学特性及其在纳米技术领域广泛的应用前景而受到众多研究者的青睐。然而，由于碳纳米管之间存在极强的管间范德华引力和碳纳米管本身所具有的巨大分子量，碳纳米管多以大量单根碳纳米管并排形成的束状形式存在，使得碳纳米管几乎不能分散于所有溶剂，这极大地限制了碳纳米管的实际应用。因此，碳纳米管分散性研究是碳纳米管材料应用研究中的重要内容。

在文献(1)Science，1998，280(22)：1253-1255中，Jie Liu等人将单壁碳纳米管在浓硫酸和浓硝酸的混酸溶液中进行剪切处理，单壁碳纳米管的长度可以大大缩短，并且在碳纳米管的末端形成羧基；但该处理后的单壁碳纳米管需在表面活性剂十二烷基磺酸钠或Triton X-100的辅助下，才能在水中形成稳定存在的胶体溶液。

在文献(2)J Am Chem Soc，2006，128(32)：10568-10571中，Zheyi Chen等人将单壁碳纳米管在发烟硫酸中浸泡12小时，再加入浓硝酸65℃搅拌2小时，经过滤、洗涤、真空干燥，得到羧基功能化的单壁碳纳米管，处理后的单壁碳纳米管不需要表面活性剂的辅助，就可以很好地分散在极性有机溶剂、酸溶液和水中。但该处理碳纳米管的方式过于激烈，单壁碳纳米管被剪切为极短的碳纳米管(＜60nm)。

发明内容

本发明的目的是提供一种水分散性碳纳米管的制备方法，采用混酸水热反应制备水分散性碳纳米管。该制备方法的特点是将单壁或多壁碳纳米管置于硫酸和硝酸的混酸水溶液中进行水热反应，可在碳纳米管表面生成羧基，从而使碳纳米管具有良好水分散性。具体工艺步骤如下：

取一定量硫酸和硝酸的混酸水溶液，置于以聚四氟乙烯为内衬的水热反应釜中，其中硫酸浓度为6～13mol·L^-1，硝酸浓度为2～6mol·L^-1；按照碳纳米管质量/混酸水溶液体积为1g/1L的比例，将单壁或多壁碳纳米管加入到混酸水溶液中；将上述含有碳纳米管的混酸水溶液在100～140℃水热处理3～12小时后，自然冷却至室温；将水热处理的含有碳纳米管的混酸水溶液以0.5～1mL/s的速度加入到8～10倍于混酸溶液体积的去离子水中，静置直到碳纳米管沉淀完全，倒去上层清液，下层沉淀用孔径为0.4～0.8μm的醋酸纤维素膜过滤，用乙醇洗涤沉淀至滤液pH值为6～7，得到碳纳米管黑色滤饼；将滤饼在40～70℃真空干燥4～12小时，得到水分散性碳纳米管。

本发明所述的碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管中的一种。

采用德国蔡斯Supra 55场发射扫描电镜观察水分散性单壁和多壁碳纳米管的表面形貌，结果如图1和图5所示，处理后的碳纳米管仍保持管状结构，并且具有高的长径比。采用英国雷尼绍RM 2000型显微共焦拉曼光谱仪对未处理单壁碳纳米管及水分散性单壁碳纳米管进行表征，测试结果如图2和图3所示，从图中可以看出，水分散性单壁碳纳米管的D/G值较未处理单壁碳纳米管的D/G值明显增大，说明水分散性单壁碳纳米管的表面缺陷增多，但水分散性单壁碳纳米管仍保留有207cm^-1处单壁碳纳米管的特征峰，这表明采用本发明方法制备的水分散性单壁碳纳米管结构未被破坏。采用美国热电Nicolet8700型傅里叶变换红外光谱仪对水分散性碳纳米管进行表征，测试结果如图4所示，在1709cm^-1处出现羧基C＝O双键伸缩振动峰，表明采用本发明方法使碳纳米管表面羧基化，这有利于提高碳纳米管在水中的分散性。将本发明方法制备的水分散性碳纳米管进行分散性测试，碳纳米管在水中分散的浓度达10g·L^-1以上。

本发明的效果及优点为：采用本发明方法制备的水分散性碳纳米管具有高的长径比且在水中分散的浓度高。另外，本发明方法工艺简单、工艺参数较易控制。

附图说明

图1.实施例1水分散性单壁碳纳米管的扫描电镜照片。

图2.未经处理单壁碳纳米管的拉曼谱图。横坐标为拉曼位移，单位为：厘米^-1(cm^-1)，纵坐标为散射强度，单位为：绝对单位(a.u.)。