[发明专利]碳纳米管冷冻干燥体/金属氧化物复合物

说明书

技术领域

本发明是关于纳米材料的，特别涉及一种液相法制备碳纳米管冷冻干燥体/金属氧化物复合材料及其制备方法。

背景技术

碳纳米管材料由于具有许多优异的力学、电学和化学性能而被广泛应用于各领域复合材料的制备中。目前各国研究者关于制备金属氧化物/碳纳米管材料复合物做了大量的工作。

金属氧化物，特别是具赝电容性质的过渡金属氧化物（如MnO₂等）中引入碳管材料可达到改善赝电容金属氧化物低电导、循环性能差等问题，实现复合物高能量、高功率密度以及优异循环性能的结合，这也是近几年来超级电容电极材料的研究重点。应用于染料敏化太阳能电池的半导体金属氧化物（如TiO₂、SnO₂等）中引入少量碳管亦可起到促进电子转移、增加光伏转化效率的作用。总之，碳纳米管材料与金属氧化物的复合在超级电容器、锂离子电池、太阳能电池、光催化等领域具有重大应用前景。

碳纳米管冷冻干燥体由于具有连续的网络片状结构，可以作为一种连续的宏观体参与温和的液相反应，反应生成的碳管冷冻干燥体/金属氧化物复合物亦保持碳管冷冻干燥体先前的宏观连续结构，避免了一般溶液反应过程所需的产物过滤收集等繁琐步骤，也可以将溶液中单纯的离子反应产物与复合反应产物简单分离出来。

发明内容

本发明的目的，是克服现有技术的缺点和不足，利用碳纳米管冷冻干燥体所具有的连续网络片状结构，使冷冻干燥体在宏观结构保持的前提下采取温和的溶液反应在其片层上或片层间复合上金属氧化物；提供一种以碳纳米管冷冻干燥体作为一种连续基体参与反应、且反应后仍保持宏观和微观上的连续网络结构的碳纳米管冷冻干燥体/金属氧化物复合物。

本发明通过如下技术方案予以实现。

一种碳纳米管冷冻干燥体/金属氧化物复合物，其特征在于，碳纳米管冷冻干燥体作为一种连续基体参与反应，是在其片层上或者片层间复合上金属氧化物，且反应后仍保持宏观和微观上的连续网络结构；所述的金属氧化物为MnO₂、TiO₂或者SnO₂中的任意一种；

该碳纳米管冷冻干燥体/金属氧化物复合物可由下面的简易液相法制备而成；

（1）水热合成法，适用于MnO₂、TiO₂或者SnO₂金属氧化物与碳管冷冻干燥体的复合，具有如下步骤：

a、将碳纳米管冷冻干燥体置于聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，加入所需反应溶剂；其中，碳纳米管冷冻干燥体/MnO₂复合物制备过程所用溶剂为KMnO₄或KMnO₄与MnSO₄的混合溶剂；碳纳米管冷冻干燥体/SnO₂复合物制备过程所用溶剂为SnCl₄和NaOH的混合液。碳纳米管冷冻干燥体/TiO₂复合物制备过程所用溶剂为钛酸正丁酯；水热反应溶剂采用两种混合溶剂时，两种溶剂摩尔比为1：10～10：1，其中反应溶剂体积要求能完全浸没所取碳纳米管冷冻干燥体，金属氧化物与碳纳米管冷冻干燥体复合质量比可通过调节反应溶剂的浓度控制于0：1～8：1；

b、将反应物密封于聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱内进行水热反应，水热温度为室温～180℃，水热时间为1h～24h，反应物所占容积比<80%；

c、对于水热反应产物为金属氢氧化物者，采用进一步的锻烧处理使其转化为金属氧化物，锻烧温度200～500℃，制得碳纳米管冷冻干燥体/金属氧化物复合物。

（2）醇盐水解法，适用于TiO₂金属氧化物与碳管冷冻干燥体的复合，具有如下步骤：

a、将碳纳米管冷冻干燥体进行热处理，去除碳纳米管冷冻干燥体制备过程中所使用的添加剂；

b、将碳纳米管冷冻干燥体浸渍于金属醇盐中；碳纳米管冷冻干燥体/TiO₂复合物制备采用的醇盐为钛酸正丁酯。金属醇盐于碳纳米管冷冻干燥体基质上发生水解和缩聚反应，在碳纳米管冷冻干燥体片状结构间或者表面产生与构成醇盐的金属元素相应的氢氧化物沉淀；金属醇盐溶液要求能浸没所取的碳纳米管冷冻干燥体，金属氧化物与碳纳米管冷冻干燥体复合质量比可通过调节金属醇盐浓度来控制于0：1～8：1；

c、反应产物经液固分离、干燥、煅烧工艺，制得碳纳米管冷冻干燥体/金属氧化物复合物。