[发明专利]合成碳纳米管的预处理方法及源自煤和碳煤焦的碳纳米结构

说明书

相关申请

本申请涉及且要求享有2009年3月27日提交的序列号为61/163,991的美国临时专利申请的权益，该专利申请的公开内容在此通过引用并入。

背景技术

诸如多壁碳纳米管的纳米结构因其导电性和强度特征而具有多种不同的应用。这些纳米结构可以由多种材料形成。用于形成多壁碳纳米管的最基本的材料之一是煤。具体地，已经使用弧光放电和CVD而由煤形成碳纳米管。

当向弧光放电电极添加金属催化剂，即钴、铁、镍、铱、镧、钆和硼时，增强了碳纳米管的生产。由于是在较高的温度下进行纳米管合成，因此用作增强碳纳米管的生长的成核剂的催化剂前驱体预期会完全分解。

煤在形成多壁碳纳米管方面存在某些不足。通常，为了由煤产生碳纳米管，需要产生煤棒，催化剂在该棒中。还需要在高于2000℃的相对高的温度下操作系统。此外，煤(烟煤和亚烟煤)仍含有氢，如果在产生纳米管之前，从煤中提取氢，那么这将提供经济利益。此外，为了允许形成碳纳米管，必须向煤混合物中添加昂贵的催化剂。

发明内容

本发明的前提是实现可以使用煤副产物产生诸如多壁碳纳米管的纳米结构。更具体地，本发明的前提是实现作为电解含水的煤浆料的副产物的煤焦可以用于形成多壁碳纳米结构，这不会存在与煤用作碳源时相同的问题。

更具体地，研磨的煤可以经受电解，电解将消耗一部分煤，形成被凝胶状有机金属材料涂覆的颗粒，这防止进一步电解。这些涂覆颗粒可以经受溶剂提取以去除有机物质，允许煤颗粒再次用于电解。这可以重复进行，直到涂层的清洁或溶剂提取不再提高电解中煤颗粒的功效。

涂覆的煤颗粒可以被用作形成碳纳米结构的碳源材料。此过程不要求添加昂贵的有机金属盐，因为在电解过程中，在煤颗粒的表面上产生活性催化剂。此外，颗粒不需要活化且无需形成棒。还可以采用较低的温度。

可以使用多种不同的煤来进行此方法，且此外，煤焦可以在任何时间从电解过程收集，在初始电解之后或重复电解之后都可以收集，这取决于最终使用要求。

根据下面的详细描述和实施例，将进一步理解本发明的目的和优势，其中：

附图说明

图1是由煤浆料形成氢的电解装置的示意性描述；

图2是图1的电解池的分解示意图；

图3是形成用于本发明的煤焦的方法的示意图；和

图4是喷雾热解装置的示意图。

具体实施方式

图1显示了用于电解煤的装置10的示意性描述，煤的电解又产生用于制造碳纳米管的煤焦。如图1所示，装置10包括电解池11，电解池11包括由诸如全氟磺酸(Nafion)膜或聚乙烯膜的膜13隔开的阴极12和阳极14。

包含阳极溶液的储器16通向泵17，泵17将阳极溶液泵送至电解池11的阳极侧。如图所示，阳极溶液流过管线23直至丙烯酸块22内的通道21。阳极流体通过通道21并经由管线24回到储器16。从储器16排出流体中所产生的气体二氧化碳至气体收集器26。温度控制器27位于储器16内。

在相对侧，储器30包括阴极溶液，阴极溶液被引导至泵32并通向电解池11的阴极侧。此外，此阴极溶液通过管线33直至丙烯酸块34内的通道(未显示)，这提供与阴极12的接触，随后将流体从通道经由管线36引导回储器30。所产生的气体氢气被引导至气体收集器40。此外，温度控制器42位于储器30内。

图2显示了电解池11的分解视图。丙烯酸块22和34彼此成镜像。阳极14和阴极12在隔板13的任一侧上。借助惰性隔板46和48使丙烯酸块22和34、阴极12和阳极14之间产生间距。惰性隔板可以是，如聚四氟乙烯、Nafion或聚乙烯。

阴极12可以是将经受住电解池内的酸性条件的任何材料。通常来说，这些材料可以包括碳、镍、诸如铂、铱、铑的贵金属及其组合。