[发明专利]以钴铝为主要金属杂质的碳纳米管纯化方法及由其纯化后的碳纳米管

说明书

本发明涉及一种以钴铝为主要金属杂质的碳纳米管纯化方法及由其纯化后的碳纳米管，所述纯化方法包括：在80～150℃的处理温度下采用由工业硝酸和工业盐酸组成的混酸溶液处理以钴铝为主要金属杂质的碳纳米管，获得纯化后的碳纳米管。本发明通过将处理温度设置为80～150℃，大大降低了现有纯化方法中的加热温度，满足了工业化生产中能耗更低、更节能、操作更安全的要求；同时还实现了工业上的大批量生产，处理能力至少达几百公斤，收率在93％以上；该方法对以钴铝为主要杂质的碳纳米管具有较强的针对性，对钴铝杂质的去除更有效，纯化效率较高。

技术领域

本发明涉及一种纯化碳纳米管的方法，更具体地涉及一种以钴铝为主要金属杂质的碳纳米管纯化方法及由其纯化后的碳纳米管。

背景技术

碳纳米管具有优异的导电、导热和机械性能，可作为高性能添加剂应用于电极材料、涂料、复合材料等产品中。目前碳纳米管的制备工艺主要有石墨电弧法、化学气相沉积法、激光蒸发法、电解法等，工业中常用化学气相沉积法来生产碳纳米管。由于化学气相沉积法制备碳纳米管时使用过渡金属催化剂，导致所制备的碳纳米管中含有大量的金属杂质，比如铁、镍、钴、铝等杂质，金属含量偏高可能导致电池自放电、内部微短路，存在一定的安全隐患。因此，有必要提供一种高效便捷的纯化工艺来克服上述问题。

由于不同制备方法所得碳纳米管的性质以及所引入的杂质都不相同，其相应增加了碳纳米管纯化研究的难度。目前已经提出的碳纳米管的纯化方法有许多种，这些方法大致可分为物理法、化学法和综合法。物理方法主要是根据碳纳米管与杂质物理性质(如粒度、形状、比重、电性能等)的不同而进行分离；化学方法主要是根据碳纳米管与其它含碳杂质的化学稳定性不同，利用氧化剂对碳纳米管和碳纳米微粒、无定形碳等杂质的氧化速率不同而逐步分离；综合法则是根据物理法及化学法各自的优缺点，把二者结合起来使用的一种方法。

目前常用的是将酸处理与气相氧化相结合，其中Hou等针对漂流催化剂CVD法合成的MWNTs提出了一种高效多步的纯化方法：超声震荡和热分散处理后在90℃的溴水中浸泡3h，然后将残留物在520℃下煅烧45min，把所得黑色产物在室温下放入5mol/L的盐酸中去除Fe微粒，并用去离子水洗涤所得样品。再在烤箱中150℃下烘烤12h，最后所得MWNTs的纯度>94％，产率可达50％。该纯化方法所得产率主要由氧化时间及温度决定(文献P X Hou,SBai,QHYangetal.Carbon,2002,40:81～85)。

CN106794991A中公开了一种碳纳米管纯化方法，其包括：在真空或惰性气体氛围中，在第一温度下使碳纳米管中的残留金属与含氯化合物反应，从而使所述的残留金属氯化的步骤；及在高于所述第一温度的第二温度下，蒸发及去除氯化的残留金属的步骤；其中，第一温度选自700～1000℃，第二温度选自800～1500℃；该纯化方法消除了碳纳米管的物理性损伤及形状的变性。

尽管上述方法实现了对碳纳米管的有效纯化，并且能对杂质具有较高的去除率，然而，其还存在以下问题：(1)加热温度过高，该温度下操作存在着很大的危险性，能耗和成本也高，不适用于工业化的大批量生产；(2)尽管对碳纳米管的纯化效率高，然而其处理能力有限，无法实现百公斤以上的处理规模，同时收率偏低，仅能达到80～85％左右；(3)对碳纳米管的纯化对象缺乏针对性。

目前，以钴铝为主要金属杂质的碳纳米管存在着纯化难的问题，如何提供一种针对以钴铝为主要金属杂质的碳纳米管的纯化方法，并可实现广泛应用于工业化大批量生产并对碳纳米管损伤最小化的纯化方法，已成为目前亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种以钴铝为主要金属杂质的碳纳米管纯化方法及由其纯化后的碳纳米管，所述纯化方法是通过在低温下采用由工业硝酸和工业盐酸组成的混酸溶液进行处理，使得该纯化后的碳纳米管中钴和铝的杂质含量大幅下降，同时由于反应温度远低于现有纯化方法中的加热温度，因此满足了工业化生产中能耗更低、更节能、操作更安全的要求；同时还实现了工业上的大批量生产。