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CN105600767B - 碳纳米管海绵的制备方法及装置 - Google Patents

碳纳米管海绵的制备方法及装置 Download PDF

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Abstract

碳纳米管海绵的制备方法包括如下步骤：a、将氧化镍置于重量百分含量为10～50％的柠檬酸溶液中浸泡1～10小时，经200～900℃干燥0.2～1小时后，得到氧化镍碳催化剂；b、将步骤a制得的氧化镍碳催化剂置于反应炉中，再由载气罐向反应炉内通入氮气或惰性气体，并在氮气或惰性气体保护下通过温控仪将反应炉内的温度升至500～900℃，然后分别通过调节氢气罐与丙烯罐的流量计使通入反应炉内的氢气与丙烯的流量比为0.05～0.5：1，反应0.5～2小时后，自然冷却至室温，即得到碳纳米管海绵。本发明还提供实现碳纳米管海绵制备方法的装置。本发明制得的碳纳米管海绵的分散性优于常规的碳纳米管，且产量高，适合批量生产。本发明还具有制备工艺及装置简单、操作方便、反应条件温和等特点。

Description

碳纳米管海绵的制备方法及装置
【技术领域】
本发明涉及碳纳米管的制备，特别是涉及一种工艺简单、产量高且适合批量生产的碳纳米管海绵制备方法及装置。
【背景技术】
碳纳米管具有高比模量，高比强度，高导电等优异性能，可作为催化剂和催化剂载体，锂离子电池、微电子器件、吸波材料、超级电容器材料、高效吸附剂、分离剂、结构增强材料等，近年来受到了广泛的研究和关注。然而，一般情况下制得的碳纳米管为微观结构，其在宏观上为粉末状或颗粒状，分散性差，通常需要采用机械损伤性研磨分散或破坏碳管微结构接枝官能团的方法，这不仅制备工艺复杂，而且使得碳纳米管本身的性能无法发挥出来，导致碳纳米管的应用受到限制。
目前，碳纳米管宏观体除了有粉末状或颗粒状外，其宏观形态还有碳纳米管长丝、碳纳米管薄膜、碳纳米管阵列和碳纳米管海绵。其中，碳纳米管海绵由于具有高的比表面积和孔隙率、较低密度，较好的热力学性质和导电性且分散性好，在强化复合材料、油污吸附、微电子器件等领域具有良好的应用前景。然而，现有制备碳纳米管海绵的方法主要有基体法、浮动催化法及化学气相沉积法，其存在工艺复杂，反应条件苛刻且产量不高的问题，制得的碳纳米管海绵的重量与使用催化剂的重量比最高为40～60，不适合批量生产。因此，如何简化碳纳米管海绵的制备工艺、提高碳纳米管海绵的产量就成为一种客观需求。
【发明内容】
本发明旨在解决上述问题，而提供一种制备工艺简单、产量高、适合批量生产，且制得的碳纳米管海绵分散性能好的碳纳米管海绵的制备方法。
本发明还提供一种实现所述碳纳米管海绵制备方法的装置。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种碳纳米管海绵的制备方法，该方法包括如下步骤：
a、将氧化镍置于重量百分含量为10～50％的柠檬酸溶液中浸泡1～10小时，经200～900℃干燥0.2～1小时后，得到氧化镍碳催化剂；
b、将步骤a制得的氧化镍碳催化剂置于反应炉中，再由载气罐向反应炉内通入氮气或惰性气体，并在氮气或惰性气体保护下通过温控仪将反应炉内的温度升至500～900℃，然后分别通过调节氢气罐与丙烯罐的流量计使通入反应炉内的氢气与丙烯的流量比为0.05～0.5：1，反应0.5～2小时后，自然冷却至室温，即得到碳纳米管海绵。
步骤b中，所述氮气或惰性气体为载气，所述氢气为生长促进剂，所述丙烯为碳源。
所述惰性气体为氩气。
步骤b中，所制得的碳纳米管海绵的重量与反应炉内氧化镍碳催化剂的重量比为100～150。
本发明还提供一种实现所述碳纳米管海绵制备方法的装置，该装置设有反应炉及用于控制反应炉内温度的温控仪，所述温控仪的探头与反应炉的内壁接触，所述反应炉的进气口分别连接有载气罐、丙烯罐及氢气罐，在所述载气罐、丙烯罐及氢气罐与反应炉进气口之间分别设有用于控制流量的流量计。
所述反应炉的进气口连接有四通管接头，所述载气罐、丙烯罐及氢气罐分别通过四通管接头与反应炉的进气口连接。
所述反应炉为管式炉。
本发明的贡献在于，其有效解决了现有碳纳米管分散性差、工艺复杂及产量低的问题。本发明通过以氮气或惰性气体为载气，丙烯为碳源，氢气为生长促进剂，氧化镍碳为催化剂得到以海绵状态存在的碳纳米管海绵。本发明制得的碳纳米管海绵的分散性优于常规的碳纳米管，不易团聚，且制得的碳纳米管的重量与使用催化剂的重量比为100～150，产量高，适合批量生产。本发明还具有制备工艺及装置简单、操作方便、反应条件温和等特点。
【附图说明】
图1是本发明的反应装置结构示意图。
图2是本发明的碳纳米管海绵的成像图。
图3是本发明的碳纳米管海绵的扫描电子显微镜图。
【具体实施方式】
下列实施例是对本发明的进一步解释和补充，对本发明不构成任何限制。
参阅图1，本发明的碳纳米管海绵的制备装置设有反应炉10、温控仪20、载气罐30、丙烯罐40、氢气罐50及流量计60。其中，本发明中的反应炉10为管式炉，催化剂装于管式炉内。在反应炉10上设有温控仪20，该温控仪20的探头与反应炉10的内壁接触，用于监测并控制反应炉10内的温度。在反应炉10的进气口连接有四通管接头，载气罐30、丙烯罐40及氢气罐50分别通过四通管接头与反应炉10的进气口连接，其中，载气罐30内装有氮气或惰性气体，该惰性气体为氩气；在丙烯罐40内装有丙烯，在氢气罐50内装有氢气。在反应炉10与载气罐30、丙烯罐40及氢气罐50之间分别设有流量计60，该流量计60分别用于控制载气罐30、丙烯罐40及氢气罐50出口的流量。
实施例1
将2千克柠檬酸溶解于8千克水中形成柠檬酸溶液，再将氧化镍置于柠檬酸溶液中浸泡5小时，经500℃干燥0.8小时后，得到氧化镍碳催化剂，然后将10毫克的氧化镍碳催化剂置于管式炉10内，打开氮气罐阀门，使反应炉10内充满氮气，在氮气的保护下，启动温控器20并控制反应炉10将温度升至700℃，然后分别打开丙烯罐40及氢气罐50的阀门并调节丙烯罐40及氢气罐50的流量计60，使氢气与丙烯的流量比为0.2：1，反应1小时后，关闭丙烯罐40、氢气罐50及氮气罐的阀门，并关闭温控仪20，使反应炉10自然冷却至室温，得到1.5克产物。由本实施例制备的产物宏观结构如图2所示，其为海绵状结构，产物的形态如图3所示，经扫描电子显微镜检测，该产物为碳纳米管结构，这说明该产物为碳纳米管海绵。
实施例2
将1千克柠檬酸溶解于9千克水中形成柠檬酸溶液，再将氧化镍置于柠檬酸溶液中浸泡3小时，经200℃干燥1小时后，得到氧化镍碳催化剂，然后将15毫克的氧化镍碳催化剂置于管式炉10内，打开氮气罐阀门，使反应炉10内充满氮气，在氮气的保护下，启动温控器20并控制反应炉10将温度升至500℃，然后分别打开丙烯罐40及氢气罐50的阀门并调节丙烯罐40及氢气罐50的流量计60，使氢气与丙烯的流量比为0.5：1，反应0.5小时后，关闭丙烯罐40、氢气罐50及氮气罐的阀门，并关闭温控仪20，使反应炉10自然冷却至室温，经检测，得到2克碳纳米管海绵。
实施例3
将5千克柠檬酸溶解于5千克水中形成柠檬酸溶液，再将氧化镍置于柠檬酸溶液中浸泡10小时，经900℃干燥0.2小时后，得到氧化镍碳催化剂，然后将5毫克的氧化镍碳催化剂置于管式炉10内，打开氩气罐阀门，使反应炉10内充满氩气，在氩气的保护下，启动温控器20并控制反应炉10将温度升至900℃，然后分别打开丙烯罐40及氢气罐50的阀门并调节丙烯罐40及氢气罐50的流量计60，使氢气与丙烯的流量比为0.05：1，反应2小时后，关闭丙烯罐40、氢气罐50及氩气罐的阀门，并关闭温控仪20，使反应炉10自然冷却至室温，经检测，得到0.7克碳纳米管海绵。
实施例4
将3千克柠檬酸溶解于7千克水中形成柠檬酸溶液，再将氧化镍置于柠檬酸溶液中浸泡1小时，经400℃干燥0.5小时后，得到氧化镍碳催化剂，然后将12毫克的氧化镍碳催化剂置于管式炉10内，打开氮气罐阀门，使反应炉10内充满氮气，在氮气的保护下，启动温控器20并控制反应炉10将温度升至600℃，然后分别打开丙烯罐40及氢气罐50的阀门并调节丙烯罐40及氢气罐50的流量计60，使氢气与丙烯的流量比为0.1：1，反应0.8小时后，关闭丙烯罐40、氢气罐50及氮气罐的阀门，并关闭温控仪20，使反应炉10自然冷却至室温，经检测，得到1.2克碳纳米管海绵。
实施例5
将4千克柠檬酸溶解于6千克水中形成柠檬酸溶液，再将氧化镍置于柠檬酸溶液中浸泡8小时，经700℃干燥0.4小时后，得到氧化镍碳催化剂，然后将8毫克的氧化镍碳催化剂置于管式炉10内，打开氮气罐阀门，使反应炉10内充满氮气，在氮气的保护下，启动温控器20并控制反应炉10将温度升至800℃，然后分别打开丙烯罐40及氢气罐50的阀门并调节丙烯罐40及氢气罐50的流量计60，使氢气与丙烯的流量比为0.3：1，反应1.5小时后，关闭丙烯罐40、氢气罐50及载气罐30的阀门，并关闭温控仪20，使反应炉10自然冷却至室温，经检测，得到1克碳纳米管海绵。
籍此，本发明通过以氮气或惰性气体为载气，丙烯为碳源，氢气为生长促进剂，氧化镍碳为催化剂得到以海绵状态存在的碳纳米管海绵。本发明的碳纳米管海绵的分散性优于常规的碳纳米管，不易团聚，且制得的碳纳米管的重量与使用催化剂的重量比为100～150，产量高，适合批量生产。本发明还具有制备工艺及装置简单、操作方便、反应条件温和等特点。
尽管通过以上实施例对本发明进行了揭示，但本发明的保护范围并不局限于此，在不偏离本发明构思的条件下，对以上各成分所做的变形、替换等均将落入本发明的权利要求范围内。

Claims (4)

1.一种碳纳米管海绵的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
a、将氧化镍置于重量百分含量为10～50％的柠檬酸溶液中浸泡1～10小时，经200～900℃干燥0.2～1小时后，得到氧化镍碳催化剂；
b、将步骤a制得的氧化镍碳催化剂置于反应炉(10)中，再由载气罐(30)向反应炉(10)内通入氮气或惰性气体，并在氮气或惰性气体保护下通过温控仪(20)将反应炉(10)内的温度升至500～900℃，然后分别通过调节氢气罐(50)与丙烯罐(40)的流量计(60)使通入反应炉(10)内的氢气与丙烯的流量比为0.05～0.5：1，反应0.5～2小时后，自然冷却至室温，即得到碳纳米管海绵，所述氮气或惰性气体为载气，所述氢气为生长促进剂，所述丙烯为碳源。
2.如权利要求1所述的碳纳米管海绵的制备方法，其特征在于，所述惰性气体为氩气。
3.如权利要求1所述的碳纳米管海绵的制备方法，其特征在于，步骤b中，所制得的碳纳米管海绵的重量与反应炉(10)内氧化镍碳催化剂的重量比为100～150。
4.一种实现权利要求1所述的碳纳米管海绵制备方法的装置，其特征在于，该装置设有反应炉(10)及用于控制反应炉(10)内温度的温控仪(20)，所述温控仪(20)的探头与反应炉(10)的内壁接触，所述反应炉(10)为管式炉，所述反应炉(10)的进气口分别连接有载气罐(30)、丙烯罐(40)及氢气罐(50)，所述反应炉(10)的进气口连接有四通管接头，所述载气罐(30)、丙烯罐(40)及氢气罐(50)分别通过四通管接头与反应炉(10)的进气口连接，在所述载气罐(30)、丙烯罐(40)及氢气罐(50)与反应炉(10)进气口之间分别设有用于控制流量的流量计(60)。
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