[发明专利]一种三维立体宏观碳纳米管网的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳纳米管材料的制备方法。

背景技术

自从1991年日本科学家lijima首次发现碳纳米管以来，以其独特的物理和化学性质以及准一维状分子结构，迅速成为物理、化学和材料科学交叉领域研究的热点，在科学研究和产业应用上越来越受到人们的广泛关注。

碳纳米管的制备主要有以下几种方法：石墨电弧法、催化裂解法、激光蒸发法等。原始制备出的碳纳米管常呈现团聚现象，管与管之间相互缠绕，相互交错，这种情况下材料整体往往很难表现出单根碳纳米管优异的稳定性、力学性质、导电能力。虽然碳纳米管具有广泛的应用前景，但一般条件下所制备的碳纳米管在宏观下都为粉末状，而且碳纳米管的管-管之间只是接触式的导通，没有化学键的连接，导致碳纳米管优秀的导电能力及力学性能在宏观碳纳米管材料上无法发挥出来，这极大的限制了碳纳米管材料的进一步应用。

已有研究者制备出“T”型、“Y”型碳纳米管(如文献Carbon nanotube Yjunctions：growth and properties，Diamond and Related Materials，13(2004)241-249)。但只是局限于两根或三根碳纳米管的化学健连接，而通过化学键连接方式将众多的碳纳米管连接起来构成三维立体碳纳米管宏观网络还有相当的距离。

最近吴德海等人制备出碳纳米管海绵(文献Carbon Nanotube Sponges，Advanced Materials，2010，22：617-621)。他们是通过控制催化化学气相沉积法的条件来一次性生长出碳纳米管海绵，但从文章给出的数据表明，其所制备的碳纳米管海绵也只是碳纳米管的相互接触，并未在接触的碳纳米管之间生成化学键。其制备的碳纳米管海绵也只是吸附性能(油和水)，得到了提高。

发明内容

本发明的目的就是提供一种三维立体宏观碳纳米管网的制备方法。该种方法制备的碳纳米管网的碳纳米管之间具有化学键连接，整个碳纳米管网的导电性能强、力学性能好。

本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种三维立体宏观碳纳米管网的制备方法，其做法是：

A、将碳纳米管粉末用硝酸或硫酸或者二者的混合液进行纯化处理，然后超声分散、过滤、真空干燥，得到碳纳米管网前驱体；

B、碳纳米管网前驱体负载用于连接的催化剂，所述催化剂为铁、钴或镍，以及能在780～1200℃下还原成铁、钴或镍的化合物。

C、将已负载催化剂的碳纳米管网前驱体置于管式电阻炉的石英管中，在升温的过程中，向石英管内通入氩气或氮气；升温至780～1200℃时改通氢气，保温5～300min；然后，在600～1200℃条件下通入乙炔、甲烷、天然气中的一种以及乙炔、甲烷、天然气中的一种与氩气或氮气的混合气5～300min；最后通入氩气或氮气冷却至室温，得到化学键连接的三维立体宏观碳纳米管网。

本发明方法的机理是：将现有的宏观碳纳米管粉末材料经纯化和过滤处理成定型的碳纳米管相互接触的碳纳米管网前驱体，然后在780～1200℃条件下通过用于连接的催化剂铁、钴或镍的诱导作用，使乙炔、甲烷、天然气中的碳原子在碳纳米管之间的接触点上形成化学键的连接，从而使碳纳米管之间以化学键的方式连接在一起，制备得到带化学键连接的三维立体宏观碳纳米管网。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出的一种三维立体宏观碳纳米管网的制备方法，通过该方法，制得碳纳米管管与管之间以化学键连接的三维立体宏观碳纳米管网，形成化学键连接的四通八达的碳纳米管网，较之碳纳米管之间的接触式连接，其连接更加牢固、紧密。碳纳米管的优异性能能够在宏观的碳纳米管网材料上得到充分发挥，用作导电储能材料，其导电性能与力学性能大大提高；用于复合材料中，它既充当导电骨架又充当增强骨架，复合材料的力学性能和电学性能明显提高；在增强材料，导电材料、储能材料及复合材料领域具有良好的应用前景。

实验也证明，本发明制得的碳纳米管网的碳纳米管之间通过化学键连接，具有良好的力学性能和电学性能：

一、扫描电镜照片(图二)表明，本发明的三维立体宏观碳纳米管网在碳纳米管的管管之间(图二中的B处)确实具有化学键连接。

二、储能性能测试