一种螺旋纳米碳纤维的制备方法与流程

本发明属于碳材料制备技术领域，涉及一种螺旋纳米碳纤维的制备方法。

背景技术：

碳，化学符号为c，原子序数为6，其在地壳中的丰度排居第15位。由于结构的不同，碳元素具有多种同素异形体，例如，黑色的石墨、透明的金刚石、室温下可溶于常规溶剂的富勒烯，还有当前研究日益深入的石墨烯。

作为碳元素的同素异形体之一的碳纤维，是一种碳含量大于90％的纤维状碳材料，其因优异的性能而广泛的应用于军事以及民用的各个领域。目前，碳纤维的制备方法一般分为化学气相沉积法与有机纤维前驱体法两大类，其中有机纤维前驱体法是将已有的有机纤维预先处理后，进行高温碳化从而得到原形态的碳纤维，而化学气相沉积法则是通过高温下烃类化合物在催化剂上的裂解、沉积、组装而实现碳纤维的生长，较前者而言，化学气相沉积法具有反应温度低，操作简单等优点，具有一定的经济效益以及工业生产意义。

本发明所涉及的一种螺旋纳米碳纤维，以可溶性铜盐作为催化剂，利用化学气相沉积法制备得到的。

技术实现要素：

本发明涉及了一种螺旋纳米碳纤维的制备方法，在该方法中以二氧化硅球作为催化剂分散基底，利用浸渍法将可溶性铜盐均匀分散在二氧化硅球表面，有效地控制了催化剂粒子尺寸，通过化学气相沉积法，最终制备得到了一种螺旋纳米碳纤维。一种螺旋纳米碳纤维的制备方法主要包括如下步骤：

(1)将二氧化硅球置于一定浓度的氢氧化钠溶液中，搅拌并保持一定时间；

(2)将二氧化硅球洗涤至中性后浸渍于一定浓度的铜盐溶液中，搅拌并保持一定时间；

(3)将浸渍后的二氧化硅球洗涤，烘干；

(4)将二氧化硅球置于管式炉中，以乙炔为碳源气体，利用化学气相沉积法制备得到了螺旋纳米碳纤维。

作为优选，步骤(1)中的氢氧化钠溶液浓度为0.4mol/l～1mol/l。

作为优选，步骤(1)中的时间为15min～20min。

作为优选，步骤(2)中的铜盐为氯化铜、硝酸铜、硫酸铜。

作为优选，步骤(2)中的铜盐溶液浓度为0.01mol/l～5mol/l。

作为优选，步骤(2)中的时间为10min～15min。

作为优选，步骤(4)中的管式炉的反应温度为250℃～500℃。

作为优选，步骤(4)中的乙炔气体的通入时间为5min～10min。

附图说明

图1为螺旋纳米碳纤维的扫描电镜照片。由该图可以观察到该碳纤维的螺径为100nm左右。

图2为二氧化硅球的xrd谱图。

图3为螺旋纳米碳纤维的xrd谱图。

具体实施方式

下面以具体实施例对发明的技术方案做更详细的说明，但所述实施例不构成对本发明限制。

具体实施方式1：

(1)称取0.350g二氧化硅球置于烧杯中，加入50ml浓度为0.4m的氢氧化钠溶液，在室温下搅拌15min。

(2)将上述二氧化硅球分别用去离子水和无水乙醇各洗涤2次。

(3)取0.085g氯化铜，溶解于50ml去离子水中，在室温下搅拌10min后，将上述二氧化硅球置于其中，并搅拌10min。

(4)将上述产物用去离子水洗涤2次，放入烘箱60℃烘干。

(5)将二氧化硅球平铺在瓷舟中并将瓷舟置于管式炉中部，在氩氢混合气体中升温至300℃，保温10min后将管内气体抽掉。

(6)通入乙炔气体并保持10min后，将真空自然冷却至室温，最终得到了一种螺旋纳米碳纤维产物。

具体实施方式2：

(1)称取0.350g二氧化硅球置于烧杯中，加入50ml浓度为0.8m的氢氧化钠溶液，在室温下搅拌15min。

(2)将上述二氧化硅球分别用去离子水和无水乙醇各洗涤2次。

(3)取0.085g氯化铜，溶解于50ml去离子水中，在室温下搅拌10min后，将上述二氧化硅球置于其中，并搅拌10min。

(4)将上述产物用去离子水洗涤2次，放入烘箱60℃烘干。

(5)将二氧化硅球平铺在瓷舟中并将瓷舟置于管式炉中部，在氩氢混合气体中升温至300℃，保温10min后将管内气体抽掉。

(6)通入乙炔气体并保持10min后，将真空自然冷却至室温，最终得到了一种螺旋纳米碳纤维产物。

具体实施方式3：

(1)称取0.350g二氧化硅球置于烧杯中，加入50ml浓度为1m的氢氧化钠溶液，在室温下搅拌15min。

(2)将上述二氧化硅球分别用去离子水和无水乙醇各洗涤2次。

(3)取0.085g氯化铜，溶解于50ml去离子水中，在室温下搅拌10min后，将上述二氧化硅球置于其中，并搅拌10min。

(4)将上述产物用去离子水洗涤2次，放入烘箱60℃烘干。

(5)将二氧化硅球平铺在瓷舟中并将瓷舟置于管式炉中部，在氩氢混合气体中升温至300℃，保温10min后将管内气体抽掉。

(6)通入乙炔气体并保持10min后，将真空自然冷却至室温，最终得到了一种螺旋纳米碳纤维产物。

具体实施方式4：

(1)称取0.350g二氧化硅球置于烧杯中，加入50ml浓度为0.8m的氢氧化钠溶液，在室温下搅拌15min。

(2)将上述二氧化硅球分别用去离子水和无水乙醇各洗涤2次。

(3)取8.50g氯化铜，溶解于50ml去离子水中，在室温下搅拌10min后，将上述二氧化硅球置于其中，并搅拌10min。

(4)将上述产物用去离子水洗涤2次，放入烘箱60℃烘干。

(5)将二氧化硅球平铺在瓷舟中并将瓷舟置于管式炉中部，在氩氢混合气体中升温至300℃，保温10min后将管内气体抽掉。

(6)通入乙炔气体并保持10min后，将真空自然冷却至室温，最终得到了一种螺旋纳米碳纤维产物。

具体实施方式5：

(1)称取0.350g二氧化硅球置于烧杯中，加入50ml浓度为0.8m的氢氧化钠溶液，在室温下搅拌15min。

(2)将上述二氧化硅球分别用去离子水和无水乙醇各洗涤2次。

(3)取17.0g氯化铜，溶解于50ml去离子水中，在室温下搅拌10min后，将上述二氧化硅球置于其中，并搅拌10min。

(4)将上述产物用去离子水洗涤2次，放入烘箱60℃烘干。

(5)将二氧化硅球平铺在瓷舟中并将瓷舟置于管式炉中部，在氩氢混合气体中升温至300℃，保温10min后将管内气体抽掉。

(6)通入乙炔气体并保持10min后，将真空自然冷却至室温，最终得到了一种螺旋纳米碳纤维产物。

具体实施方式6：

(1)称取0.350g二氧化硅球置于烧杯中，加入50ml浓度为0.8m的氢氧化钠溶液，在室温下搅拌15min。

(2)将上述二氧化硅球分别用去离子水和无水乙醇各洗涤2次。

(3)取25.5g氯化铜，溶解于50ml去离子水中，在室温下搅拌10min后，将上述二氧化硅球置于其中，并搅拌10min。

(4)将上述产物用去离子水洗涤2次，放入烘箱60℃烘干。

(5)将二氧化硅球平铺在瓷舟中并将瓷舟置于管式炉中部，在氩氢混合气体中升温至300℃，保温10min后将管内气体抽掉。

(6)通入乙炔气体并保持10min后，将真空自然冷却至室温，最终得到了一种螺旋纳米碳纤维产物。

具体实施方式7：

(1)称取0.350g二氧化硅球置于烧杯中，加入50ml浓度为0.8m的氢氧化钠溶液，在室温下搅拌20min。

(2)将上述二氧化硅球分别用去离子水和无水乙醇各洗涤2次。

(3)取0.085g氯化铜，溶解于50ml去离子水中，在室温下搅拌10min后，将上述二氧化硅球置于其中，并搅拌10min。

(4)将上述产物用去离子水洗涤2次，放入烘箱60℃烘干。

(5)将二氧化硅球平铺在瓷舟中并将瓷舟置于管式炉中部，在氩氢混合气体中升温至300℃，保温10min后将管内气体抽掉。

(6)通入乙炔气体并保持10min后，将真空自然冷却至室温，最终得到了一种螺旋纳米碳纤维产物。

具体实施方式8：

(1)称取0.350g二氧化硅球置于烧杯中，加入50ml浓度为0.8m的氢氧化钠溶液，在室温下搅拌15min。

(2)将上述二氧化硅球分别用去离子水和无水乙醇各洗涤2次。

(3)取1.208g硝酸铜，溶解于50ml去离子水中，在室温下搅拌10min后，将上述二氧化硅球置于其中，并搅拌15min。

(4)将上述产物用去离子水洗涤2次，放入烘箱60℃烘干。

(5)将二氧化硅球平铺在瓷舟中并将瓷舟置于管式炉中部，在氩氢混合气体中升温至300℃，保温10min后将管内气体抽掉。

(6)通入乙炔气体并保持10min后，将真空自然冷却至室温，最终得到了一种螺旋纳米碳纤维产物。

具体实施方式9：

(1)称取0.350g二氧化硅球置于烧杯中，加入50ml浓度为0.8m的氢氧化钠溶液，在室温下搅拌15min。

(2)将上述二氧化硅球分别用去离子水和无水乙醇各洗涤2次。

(3)取1.248g硫酸铜，溶解于50ml去离子水中，在室温下搅拌10min后，将上述二氧化硅球置于其中，并搅拌15min。

(4)将上述产物用去离子水洗涤2次，放入烘箱60℃烘干。

(5)将二氧化硅球平铺在瓷舟中并将瓷舟置于管式炉中部，在氩氢混合气体中升温至300℃，保温10min后将管内气体抽掉。

(6)通入乙炔气体并保持10min后，将真空自然冷却至室温，最终得到了一种螺旋纳米碳纤维产物。

具体实施方式10：

(1)称取0.350g二氧化硅球置于烧杯中，加入50ml浓度为0.8m的氢氧化钠溶液，在室温下搅拌15min。

(2)将上述二氧化硅球分别用去离子水和无水乙醇各洗涤2次。

(3)取0.085g氯化铜，溶解于50ml去离子水中，在室温下搅拌10min后，将上述二氧化硅球置于其中，并搅拌15min。

(4)将上述产物用去离子水洗涤2次，放入烘箱60℃烘干。

(5)将二氧化硅球平铺在瓷舟中并将瓷舟置于管式炉中部，在氩氢混合气体中升温至300℃，保温10min后将管内气体抽掉。

(6)通入乙炔气体并保持10min后，将真空自然冷却至室温，最终得到了一种螺旋纳米碳纤维产物。

具体实施方式11：

(1)称取0.350g二氧化硅球置于烧杯中，加入50ml浓度为0.8m的氢氧化钠溶液，在室温下搅拌15min。

(2)将上述二氧化硅球分别用去离子水和无水乙醇各洗涤2次。

(3)取0.085g氯化铜，溶解于50ml去离子水中，在室温下搅拌10min后，将上述二氧化硅球置于其中，并搅拌30min。

(4)将上述产物用去离子水洗涤2次，放入烘箱60℃烘干。

(5)将二氧化硅球平铺在瓷舟中并将瓷舟置于管式炉中部，在氩氢混合气体中升温至300℃，保温10min后将管内气体抽掉。

(6)通入乙炔气体并保持10min后，将真空自然冷却至室温，最终得到了一种螺旋纳米碳纤维产物。

具体实施方式12：

(1)称取0.350g二氧化硅球置于烧杯中，加入50ml浓度为0.8m的氢氧化钠溶液，在室温下搅拌15min。

(2)将上述二氧化硅球分别用去离子水和无水乙醇各洗涤2次。

(3)取0.085g氯化铜，溶解于50ml去离子水中，在室温下搅拌10min后，将上述二氧化硅球置于其中，并搅拌10min。

(4)将上述产物用去离子水洗涤2次，放入烘箱60℃烘干。

(5)将二氧化硅球平铺在瓷舟中并将瓷舟置于管式炉中部，在氩氢混合气体中升温至300℃，保温10min后将管内气体抽掉。

(6)通入乙炔气体并保持5min后，将真空自然冷却至室温，最终得到了一种螺旋纳米碳纤维产物。

具体实施方式13：

(1)称取0.350g二氧化硅球置于烧杯中，加入50ml浓度为0.8m的氢氧化钠溶液，在室温下搅拌15min。

(2)将上述二氧化硅球分别用去离子水和无水乙醇各洗涤2次。

(3)取0.085g氯化铜，溶解于50ml去离子水中，在室温下搅拌10min后，将上述二氧化硅球置于其中，并搅拌10min。

(4)将上述产物用去离子水洗涤2次，放入烘箱60℃烘干。

(5)将二氧化硅球平铺在瓷舟中并将瓷舟置于管式炉中部，在氩氢混合气体中升温至350℃，保温10min后将管内气体抽掉。

(6)通入乙炔气体并保持10min后，将真空自然冷却至室温，最终得到了一种螺旋纳米碳纤维产物。

具体实施方式14：

(1)称取0.350g二氧化硅球置于烧杯中，加入50ml浓度为0.8m的氢氧化钠溶液，在室温下搅拌15min。

(2)将上述二氧化硅球分别用去离子水和无水乙醇各洗涤2次。

(3)取0.085g氯化铜，溶解于50ml去离子水中，在室温下搅拌10min后，将上述二氧化硅球置于其中，并搅拌10min。

(4)将上述产物用去离子水洗涤2次，放入烘箱60℃烘干。

(5)将二氧化硅球平铺在瓷舟中并将瓷舟置于管式炉中部，在氩氢混合气体中升温至400℃，保温10min后将管内气体抽掉。

(6)通入乙炔气体并保持10min后，将真空自然冷却至室温，最终得到了一种螺旋纳米碳纤维产物。

本发明所述的一种螺旋纳米碳纤维的制备方法，其关键是利用二氧化硅球将可溶性铜盐均匀，以达到控制催化剂粒子尺寸的目的。在该过程中，不需要任何表面活性剂和ph值的调节。

以上显示和描述了本实验的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。