一种长度、管径和壁厚可控的碳纳米管及其制备方法与流程

本发明涉及一种碳纳米管的制备方法，尤其涉及一种长度、管径和壁厚可控的碳纳米管的制备方法，属于无机材料技术领域。

背景技术：

碳纳米管自从1991年被日本电子公司ligima博士发现以来，就引起了广泛的关注。由于良好的导电性、大比表面积、低的密度和优良的电化学稳定性，使其在催化载体、锂离子电池、超级电容器和燃料电池等领域拥有十分广阔的应用前景。

碳纳米管的制备方法有很多，包括电弧放电法、激光烧蚀法、催化裂解法和化学气相沉积法等，并且部分方法已经得到大规模工业应用。然而，上述方法对于碳纳米管的长度、管径和壁厚的控制依然存在许多不足，很难有一种方法能同时控制碳纳米管的长度、管径和壁厚，同时保证碳纳米管可以均匀分散。

因此，找到一种同时控制碳纳米管的长度、管径和壁厚，又保证碳纳米管的均匀分散的方法成为了本领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种长度、管径和壁厚可同时控制，而且可以保证碳纳米管均匀分散的碳纳米管的制备方法。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种长度、管径和壁厚可控的碳纳米管的制备方法，该长度、管径和壁厚可控的碳纳米管的制备方法包括以下步骤：

在真空干燥的环境中，将0.02g阳极氧化铝模板浸泡到50ml-100ml的葡萄糖溶液中；

在室温下浸泡，进行干燥处理；

在惰性气体气氛下进行退火处理，得到碳膜；

将0.02g碳膜浸泡在20ml-50ml(优选为20ml)的naoh溶液中，离心干燥，得到碳纳米管。

根据本发明的具体实施方式，在进行上述制备方法之前，首先要根据需要选择一定厚度和孔径的阳极氧化铝模板，在选择阳极氧化铝模板时，本领域技术人员可以根据想要得到的碳纳米管的厚度和孔径选择厚度和孔径合适的阳极氧化铝模板作为牺牲模板。本发明中采用的阳极氧化铝模板购买于合肥普元纳米科技有限公司。

在本发明的长度、管径和壁厚可控的碳纳米管的制备方法中，采用的葡萄糖溶液的浓度根据需要的碳纳米管的壁厚进行调整。优选地，采用的葡萄糖溶液的浓度为0.05mol/l-5mol/l，体积为50ml-100ml；更优选地，采用的葡萄糖溶液的浓度为3mol/l，体积为60ml。

根据本发明的具体实施方式，处于真空干燥的环境的目的是使葡萄糖溶液充满阳极氧化铝模板的纳米孔中。

在本发明的长度、管径和壁厚可控的碳纳米管的制备方法中，优选地，真空干燥的环境的真空度为0-1000pa，真空干燥的环境下浸泡的时间为20min-60min；更优选地，真空干燥的环境的真空度为133pa，真空干燥的环境下浸泡的时间为30min。

根据本发明的具体实施方式，在室温下浸泡的目的是，使葡萄糖分子充分吸附到阳极氧化铝模板的孔壁上。进行干燥处理是为了使葡萄糖分子膜紧密吸附在阳极氧化铝模板的孔壁上，同时将阳极氧化铝模板表面吸附的葡萄糖分子擦拭掉。

在本发明的长度、管径和壁厚可控的碳纳米管的制备方法中，优选地，室温浸泡的时间为5h-24h(更优选为15h)，室温进行干燥处理时，是在50℃-100℃(更优选为60℃)下干燥12h-24h(更优选地为12h)。

在本发明的长度、管径和壁厚可控的碳纳米管的制备方法中，优选地，退火处理是在400℃-700℃下加热1h-5h，其中，升温速率为1℃/min-10℃/min；更优选地，退火处理是在500℃下加热5h，其中，升温速率为2℃/min。

在本发明的长度、管径和壁厚可控的碳纳米管的制备方法中，优选地，惰性气体气氛的流速为50ml/min-100ml/min；采用ar气作为惰性气体。

根据本发明的具体实施方式，进行退火处理的目的是使葡萄糖分子膜以水的比例热解掉h和o，从而得到一层碳膜。

在本发明的长度、管径和壁厚可控的碳纳米管的制备方法中，优选地，naoh溶液的浓度为0.1mol/l-6mol/l；更优选地，浓度为1mol/l。将粗产品溶于naoh溶液中是为了将阳极氧化铝模板去除掉。

在本发明的长度、管径和壁厚可控的碳纳米管的制备方法中，优选地，进行离心干燥时，采用无水乙醇进行离心处理，离心处理的速率为8000rad/min-20000rad/min(更优选为8000rad/min)，离心处理的时间为5min-20min(更优选为5min)。

在本发明的长度、管径和壁厚可控的碳纳米管的制备方法中，优选地，进行离心干燥时，是在50℃-100℃下干燥12h-24h；更优选地，干燥是在60℃下干燥12h。

本发明还提供了一种长度、管径和壁厚可控的碳纳米管，其是由上述长度、管径和壁厚可控的碳纳米管的制备方法制备得到的。

本发明的长度、管径和壁厚可控的碳纳米管的制备方法通过氧化铝的吸附效应，将数量级大小的葡萄糖分子吸附到阳极氧化铝模板的孔壁上，然后将葡萄糖热解成c。通过调控阳极氧化铝模板的厚度，调整可供葡萄糖分子吸附的孔的长度，从而间接控制碳纳米管的长度，比如，厚度为40μm-500μm的阳极氧化铝模板可以得到长度为40μm-500μm的纳米管。通过调控阳极氧化铝模板的孔径大小，调整可供葡萄糖分子吸附的孔的管径，从而间接控制碳纳米管的管径，比如，孔径为20nm-300nm的阳极氧化铝模板可以得到管径为20nm-300nm的碳纳米管。通过调整葡萄糖溶液的浓度，从而调整氧化铝孔壁上吸附的葡萄糖分子的数量，进而控制葡萄糖分子热解成的碳膜的厚度，最终实现对碳纳米管的壁厚的控制，比如，浓度为0.05mol/l-5mol/l葡萄糖溶液可以得到壁厚为2nm-200nm的碳纳米管。

本发明的长度、管径和壁厚可控的碳纳米管的制备方法是一种碳纳米管的长度、管径和壁厚可同时控制的制备方法。

通过本发明的制备方法得到的碳纳米管的分散均匀，拥有相对大的内径，沿着长度方向呈现笔直的线状结构，是理想的一维结构。

本发明的长度、管径和壁厚可控的碳纳米管的制备方法不需要电弧放电法和激光烧蚀法那样复杂的设备，也不需要化学气相沉积法中大量的危险气瓶，仅仅通过简单吸附、热解即得碳纳米管，本发明的制备方法操作简单、条件可控、安全可靠、节能环保。

附图说明

图1为实施例1中采用的阳极氧化铝模板的正面sem图片。

图2为实施例1中采用的阳极氧化铝模板的反面sem图片。

图3为实施例1中采用的阳极氧化铝模板的侧面sem图片。

图4为实施例1得到的碳纳米管的6000倍的tem图片。

图5为实施例1得到的碳纳米管的40000倍的tem图片。

图6为实施例1得到的碳纳米管的200000倍的tem图片。

图7为实施例1得到的碳纳米管的eds图谱。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供了一种长度约为60μm、管径约为160nm-200nm和壁厚约为10nm的碳纳米管的制备方法，其包括以下步骤：

选择购于合肥普元纳米科技有限公司，孔径为160-200nm、厚度为60μm的阳极氧化铝模板为牺牲模板，正面的sem图片如图1所示，反面的sem图片如图2所示，侧面的sem图片如图3所示；

将0.02g阳极氧化铝模板浸泡在浓度为0.3m的葡萄糖溶液60ml中，并在压力为133pa的真空干燥箱中保持30min，使葡萄糖溶液充满阳极氧化铝模板的纳米孔；

将阳极氧化铝模板从真空干燥箱中取出，室温下浸泡15h，从而使葡萄糖分子充分吸附到孔壁上；

在60℃的烘箱中干燥12h，使葡萄糖分子膜紧密吸附在阳极氧化铝模板孔壁上，同时将阳极氧化铝模板表面吸附的葡萄糖分子擦拭掉；

在ar气流(流速为50ml/min)保护的管式炉中退火，管式炉的温度为500℃，加热时间为5h，升温速率为2℃/min，使葡萄糖分子膜以水的比例热解掉h和o，从而得到一层碳膜；

采用浓度为1mol/l，体积为20ml的naoh溶液溶解阳极氧化铝模板，然后采用无水乙醇离心(离心速率为8000rad/min，离心时间为5min)，在60℃下干燥12h，从而得到了特定长度、管壁和壁厚的均匀笔直的碳纳米管。

本实施例得到的碳纳米管的6000倍下的tem图片如图4所示，从图中可以看出中空的笔直的管状结构，说明本发明能成功制备碳纳米管。40000倍下的tem图片如图5所示，更加证实了管状的结构。200000下的高倍tem图片如图6所示，可以看出碳纳米管的管壁壁厚约为10nm。碳纳米管的eds图谱如图7所示，从图7可以看出仅仅含有c、o和cu三种元素，o和cu来自于样品承载用的普通碳膜中的铜网，从而确认了该纳米管只能是碳纳米管。

实施例2

本实施例提供了一种长度约为60μm、管径约为80nm-100nm和壁厚约为10nm的碳纳米管的制备方法，其包括以下步骤：

选择购于合肥普元纳米科技有限公司，孔径为80-100nm、厚度为60μm的阳极氧化铝模板为牺牲模板；

将0.02g阳极氧化铝模板浸泡在浓度为0.3m的葡萄糖溶液60ml中，并在压力为133pa的真空干燥箱中保持30min，使葡萄糖溶液充满阳极氧化铝模板的纳米孔；

将阳极氧化铝模板从真空干燥箱中取出，室温下浸泡15h，从而使葡萄糖分子充分吸附到孔壁上；

在60℃的烘箱中干燥12h，使葡萄糖分子膜紧密吸附在阳极氧化铝模板孔壁上，同时将阳极氧化铝模板表面吸附的葡萄糖分子擦拭掉；

在ar气流(流速为50ml/min)保护的管式炉中退火，管式炉的温度为500℃，加热时间为5h，升温速率为2℃/min，使葡萄糖分子膜以水的比例热解掉h和o，从而得到一层碳膜；

采用浓度为1mol/l，体积为20ml的naoh溶液溶解阳极氧化铝模板，然后采用无水乙醇离心(离心速率为8000rad/min，离心时间为5min)，在60℃下干燥12h，从而得到了特定长度、管壁和壁厚的均匀笔直的碳纳米管。

实施例3

本实施例提供了一种长度约为100μm、管径约为160nm-200nm和壁厚约为10nm的碳纳米管的制备方法，其包括以下步骤：

选择购于合肥普元纳米科技有限公司，孔径为160nm-200nm、厚度为100μm的阳极氧化铝模板为牺牲模板；

将0.02g阳极氧化铝模板浸泡在浓度为0.3m的葡萄糖溶液60ml中，并在压力为133pa的真空干燥箱中保持30min，使葡萄糖溶液充满阳极氧化铝模板的纳米孔；

将阳极氧化铝模板从真空干燥箱中取出，室温下浸泡15h，从而使葡萄糖分子充分吸附到孔壁上；

在60℃的烘箱中干燥12h，使葡萄糖分子膜紧密吸附在阳极氧化铝模板孔壁上，同时将阳极氧化铝模板表面吸附的葡萄糖分子擦拭掉；

在ar气流(流速为50ml/min)保护的管式炉中退火，管式炉的温度为500℃，加热时间为5h，升温速率为2℃/min，使葡萄糖分子膜以水的比例热解掉h和o，从而得到一层碳膜；

采用浓度为1mol/l，体积为20ml的naoh溶液溶解阳极氧化铝模板，然后采用无水乙醇离心(离心速率为8000rad/min，离心时间为5min)，在60℃下干燥12h，从而得到了特定长度、管壁和壁厚的均匀笔直的碳纳米管。

实施例4

本实施例提供了一种长度约为120μm、管径约为160nm-200nm和壁厚约为20nm的碳纳米管的制备方法，其包括以下步骤：

选择购于合肥普元纳米科技有限公司，孔径为160nm-200nm、厚度为120μm的阳极氧化铝模板为牺牲模板；

将0.02g阳极氧化铝模板浸泡在浓度为0.5m的葡萄糖溶液60ml中，并在压力为133pa的真空干燥箱中保持30min，使葡萄糖溶液充满阳极氧化铝模板的纳米孔；

将阳极氧化铝模板从真空干燥箱中取出，室温下浸泡15h，从而使葡萄糖分子充分吸附到孔壁上；

在60℃的烘箱中干燥12h，使葡萄糖分子膜紧密吸附在阳极氧化铝模板孔壁上，同时将阳极氧化铝模板表面吸附的葡萄糖分子擦拭掉；

在ar气流(流速为50ml/min)保护的管式炉中退火，管式炉的温度为500℃，加热时间为6h，升温速率为2℃/min，使葡萄糖分子膜以水的比例热解掉h和o，从而得到一层碳膜；

采用浓度为1mol/l，体积为20ml的naoh溶液溶解阳极氧化铝模板，然后采用无水乙醇离心(离心速率为8000rad/min，离心时间为5min)，在60℃下干燥12h，从而得到了特定长度、管壁和壁厚的均匀笔直的碳纳米管。

以上实施例说明，本发明的长度、管径和壁厚可控的碳纳米管的制备方法的长度、管径和壁厚可控，操作简单、条件可控、安全可靠、节能环保。通过本发明的制备方法得到的碳纳米管分散均匀，拥有相对大的内径，沿着长度方向呈现笔直的线状结构，是理想的一维结构。