[发明专利]利用自支撑碳纳米管膜制备碳纳米管/金属氧化物同轴结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料领域，特别涉及一种利用自支撑碳纳米管膜制备碳纳米管/金属氧化物同轴结构的方法。

背景技术

自碳纳米管被发现以来，其独特的电学、光学、热学、力学性能和高化学稳定性使其受到了科研工作者和企业持续的关注。由碳纳米管组装成的二维的薄膜具有透光、导电和柔性，尤其是自支撑碳纳米管膜因其独特的导电性及力学性能，可以用于人工肌肉、扬声器、锂离子电池、超级电容器等领域，近年来成为全球研究热点。

将自支撑碳纳米管膜和金属功能氧化物复合后，能够结合二者的优异性能，发挥协同作用，可以明显提升其机械、催化、光电特性、并且在能源材料领域，如锂离子电池、超级电容器、太阳能电池、储氢等具有广阔的潜在应用价值。目前对于碳纳米管膜/金属氧化物的研究，主要采用溶液法、一般为两步法，先制备碳纳米管再沉积金属氧化物，或为先制备金属氧化物再生长碳纳米管，工艺复杂，产率低、且制备的复合材料结构均匀性不好，难以获得金属氧化物均匀包覆与碳纳米管侧壁的，且不易实现对金属氧化物负载量、金属氧化物包覆层厚度、金属氧化物晶型的控制，而且一般制备的碳纳米管/金属氧化物复合结构结合力较弱，难以实现应用。因此急需开发一种工艺简单可控的利用自支撑碳纳米管膜制备碳纳米管/金属氧化物均匀复合结构的方法。

发明内容

本发明的目的，是针对目前制备碳纳米管膜/金属氧化物复合结构的缺点与不足，提供一种简便、低成本、工艺可控、复合结构均匀可调的制备方法。

本发明利用自支撑碳纳米管膜制备碳纳米管/金属氧化物同轴结构的方法，采用金属氧化物的液态有机前驱体利用化学气相沉积在未经过处理或经过一定处理的自支撑碳纳米管膜上，形成碳纳米管/金属氧化物同轴结构，具体步骤如下：

（1）将水平管式炉以10℃/min预热到50-1000℃；

（2）将自支撑碳纳米管膜固定于石英舟上方；

（3）将金属氧化物的液态有机前驱体注入石英舟内，再将石英舟放到已预热的水平管式炉中，在空气、氩气、氮气或者氦气气氛下进行化学气相沉积；

（4）待步骤（3）中化学气相反应结束后，保温0-4h，自然冷却至室温，即利用自支撑碳纳米管膜制得碳纳米管/金属氧化物同轴结构。

所述步骤（2）的自支撑碳纳米管膜为采用化学气相沉积法、真空抽滤法、阵列法、弧放电法制备的自支撑碳纳米管膜中的任意一种。

所述步骤（2）的自支撑碳纳米管膜也可以于300-650℃下热处理0.5-4h后，再固定于石英舟之上，以除去无定形碳杂质。

所述步骤（2）的自支撑碳纳米管膜也可以于300-650℃下热处理0.5-4h后再用双氧水、稀盐酸、稀硫酸、稀硝酸、浓盐酸中的任意一种或多种处理0.5-72h以除去无定形碳杂质及铁杂质。

所述步骤（3）的金属氧化物液态有机前驱体为高温下化学气相反应生成氧化钛的物质：钛酸丁酯、异丙醇钛、乙酰丙酮钛或者四氯化钛；及高温下化学气相反应生成氧化锡的物质：二月桂酸二丁基锡或者四氯化锡；及高温下化学气相反应生成氧化硅的物质：硅酸乙酯或者四氯化硅。

在自支撑碳纳米管膜上制备的碳纳米管/金属氧化物同轴结构中，金属氧化物均匀包覆在碳纳米管表面，形成同轴结构，同轴结构直径为10-120nm，氧化物包覆层厚度为2-50nm,氧化物颗粒大小为2-20nm，为无定形或晶型可控的结晶态。

本发明利用自支撑碳纳米管膜制备的碳纳米管/金属氧化物结构为均匀的同轴结构，其中金属氧化物均匀包覆在碳纳米管表面，同轴结构直径、氧化物包覆层厚度、氧化物颗粒大小、氧化物结晶性可调，且复合结构稳定，包覆层能承受超声破坏而基本不剥落、分离，为其发挥性能提供了潜在的基础。

附图说明

图1是实施例1制备的碳纳米管/金属氧化物同轴结构样品的扫描电子显微镜图片；

图2是实施例1制备的碳纳米管/金属氧化物同轴结构样品的投射电子显微镜图片；

图3是实施例2制备的碳纳米管/金属氧化物同轴结构样品的投射电子显微镜图片；

图4是实施例6制备的碳纳米管/金属氧化物同轴结构样品的投射电子显微镜图片。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例中所用金属氧化物液态有机前驱体均为分析纯。

实施例1

（1）将水平管式炉以10℃/min预热到500℃；

（2）将经过500℃*1h热处理自支撑碳纳米管膜固定于石英舟上方约2-3cm处；