[发明专利]树杈状碳纳米管材料的制备方法及其产品和应用

说明书

本发明公开了具有树杈状碳纳米管材料的制备方法，利用沸石分子筛发达的三维孔道和贵金属的催化作用，通过化学气相沉积法分解甲烷气体成碳，并使相邻孔道内的碳纳米管金属帽结合在一起，形成特殊的树杈状碳纳米管材料。包括分子筛的预处理、贵金属/分子筛催化剂的制备和树杈状碳纳米管的制备。本发明可以制备出单壁或者多壁碳纳米管，在一维纳米材料的开发中有着广泛地应用前景。

技术领域

本发明涉及碳材料的技术领域，具体公开一种树杈状碳纳米管材料的制备方法及其产品和应用。

背景技术

碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口）的一维量子材料。它主要由sp²杂化碳原子构成，可以被看成是由单层或者多层石墨面按照一定的晶体学矢量方向卷绕而成的无缝管，两端各有半个富勒烯分子封端。根据管壁结构的不同，碳纳米管可以分为单壁或者多壁同轴管，具体可细化为几层到数十层不等，层与层之间保持固定的距离约为0.34 nm左右，直径约为2~20nm。由于管壁高度π电子离域化，碳纳米管在光电转换、储能催化、气敏传感、仿生医药等技术领域都有很多潜在的应用；另外，在微电子领域，也是碳纳米管潜在应用的重要舞台。碳纳米管的制备方法多种多样，常规碳纳米管的制备方法包括激光蒸发法、电弧放电法和化学气相沉积法等，且生产方法仍在不断地发展中；生成的碳纳米管外形多为直线型。由于制备方法和制备工艺的不同，碳纳米管的外形也呈现L、T、Y 型，所有这些结构的出现多是由于碳六边形网格中引入了五边形和七边形缺陷所致。

对于树杈状碳纳米管材料，大多由Y型碳纳米管构成，将不同直径的Y型碳纳米管的顶部端点帽结合在一起，可以形成树杈状材料。他们一般使用是使用贵金属Pd催化剂制备，通常使用多孔Si层、钨片通常作为制备碳纳米管的载体。Chan 等人在《Thin SolidFilms》（2003, 423, 27-32.）报道，使用微波等离子体增强技术，利用化学气相沉积可制备出交联的Y型碳纳米管；Takenaka 等人在《Journal of Catalysis》（2003, 220, 468-477.）报道，利用Pt-Ni催化剂可以分解甲烷得到碳纳米管纤维。 碳纳米管生长机理属于顶部生长机理, 随着纳米管的生长, 相邻的两个金属帽在反应条件下接合在一起，进而形成新的活性金属颗粒促使碳纳米管继续生长。纵观这些报道，这些制备方法为了将金属帽结合在一起，工艺条件控制非常苛刻，通常会采用等离子体等一系列先进制备手段。因此，开发一种简单易成的树杈状碳纳米管材料的制备方法势在必行。

沸石分子筛（Zeolite）材料是结晶态的微孔无机化合物，属于硅氧四面体和铝氧四面体构成的发达三维孔道结构。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种树杈状碳纳米管材料的制备方法。

本发明的再一目的在于：提供一种上述方法制备的树杈状碳纳米管材料产品。

本发明的又一目的在于：提供一种上述产品的应用。

本发明目的通过下述方案实现：一种树杈状碳纳米管材料的制备方法，其特征在于，将沸石分子筛发达的三维孔道作为树杈状碳纳米管限域生长的模板剂，利用贵金属颗粒作为催化剂，通过化学气相沉积法得到树杈状碳纳米管材料，包括步骤如下：

a、分子筛的预处理：将分子筛在氧气条件下煅烧4小时，即得到脱除孔道中有机模板剂的分子筛材料，煅烧温度控制为773~923 K之间；

b、贵金属/分子筛催化剂的制备：将分子筛浸渍在一定量的贵金属盐酸溶液中，贵金属颗粒与分子筛的质量比为1%~5%，搅拌均匀后，转移到旋转蒸发仪中，353 K下将溶剂水蒸发掉，得到固体产物；将固体产物在383 K下干燥12小时，873 K下焙烧3小时，最后将得到的粉末压片成型、破碎和筛分，得到40~60 目贵金属负载的分子筛材料；