一种快速焦耳热制备掺杂碳纳米管的方法及掺杂碳纳米管与流程

本发明属于纳米材料制备领域，具体涉及一种快速焦耳热制备掺杂碳纳米管的方法及掺杂碳纳米管。

背景技术：

1、碳纳米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。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为2至20nm。碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。

2、当前碳纳米管粉体的大规模生产主要是电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法。这些生产工艺都可以得到碳含量98％以上的碳纳米管粉体。在工业应用中，碳纳米管主要作为基材的添加剂使用。为了保证碳纳米管与基材的相容性，常常需要对碳纳米管进行改性，其中对碳纳米管进行元素掺杂就是改性的常用手段之一。

3、为了对碳纳米管进行元素掺杂，一般采用混合物焙烧方法，用各种活性较高的化学试剂对碳纳米管进行氧化、氮化、氟化、酯化，从而得到不同元素掺杂的改性碳纳米管。这种焙烧方法一般要加热1小时左右，焙烧温度在600至800℃，还要自然冷却，花费时间比较长，效率比较低，耗能比较大。近年来，把电流直接通过反应物产生焦耳热的快速焦耳热法已经制备出高熵合金、单原子催化剂等新型亚稳材料。这种方法不使用溶剂，把混合好的原料粉末进行多次快速脉冲高温加热，就可以得到所需的新型纳米材料。碳纳米管的元素掺杂在原理上类似于高熵合金的制备，且目前尚无报道利用快速焦耳热法制备出元素掺杂的碳纳米管，鉴于此，亟待开发一种基于脉冲快速焦耳热方法以期制备出各种元素掺杂的改性碳纳米管的方法。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种快速焦耳热制备掺杂碳纳米管的方法及掺杂碳纳米管。

2、为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：

3、本发明提供一种快速焦耳热制备掺杂碳纳米管的方法，其是通过脉冲放电产生焦耳热，使碳纳米管和含掺杂元素的化合物组成的混合物快速升温并降温，即得所述掺杂碳纳米管。

4、进一步地，所述的含掺杂元素的化合物为硼酐、硼酸、碳化硼、氮化硼、硼氢化钠、硼氢化钾、硼砂、蔗糖、葡萄糖、羧甲基纤维素钠、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、氧化铝粉末、二氧化硅粉末、尿素、三聚氰胺中的至少一种。

5、进一步地，所述的混合物中含掺杂元素的化合物的质量含量为0.5％至50％。

6、进一步地，所述的脉冲放电的电流为20至100安培。

7、进一步地，所述的焦耳热产生的最高温度为400至2200℃。

8、进一步地，所述的脉冲放电的单次放电时间为0.2至10秒。

9、进一步地，所述的脉冲放电的次数为1至20次。

10、进一步地，所述的脉冲放电采用的电源为直流电源或交流电源。

11、本发明还提供一种前述方法制备得到的掺杂碳纳米管。

12、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

13、(1)利用焦耳热加热碳纳米管和含掺杂元素的化合物，二者发生化学反应，使得掺杂元素进入碳纳米管晶格，得到掺杂碳纳米管。(2)脉冲放电加热使碳纳米管混合粉末法温度升到高温后又迅速下降，仅需要几十秒的时间就能完成反应，效率非常高，成本很低。综合以上两方面，本发明的快速焦耳热制备掺杂碳纳米管的方法可以低成本高效率地完成碳纳米管的掺杂，从而得到各种改性碳纳米管，更好地满足碳纳米管添加到不同基材的要求。

技术特征：

1.一种快速焦耳热制备掺杂碳纳米管的方法，其特征在于：通过脉冲放电产生焦耳热，使碳纳米管和含掺杂元素的化合物组成的混合物快速升温并降温，即得所述掺杂碳纳米管。

2.根据权利要求1所述的一种快速焦耳热制备掺杂碳纳米管的方法，其特征在于，所述的含掺杂元素的化合物为硼酐、硼酸、碳化硼、氮化硼、硼氢化钠、硼氢化钾、硼砂、蔗糖、葡萄糖、羧甲基纤维素钠、聚四氟乙烯、聚偏二氟乙烯、氧化铝粉末、二氧化硅粉末、尿素、三聚氰胺中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的一种快速焦耳热制备掺杂碳纳米管的方法，其特征在于，所述的混合物中含掺杂元素的化合物的质量含量为0.5％至50％。

4.根据权利要求1所述的一种快速焦耳热制备掺杂碳纳米管的方法，其特征在于，所述的脉冲放电的电流为20至100安培。

5.根据权利要求1所述的一种快速焦耳热制备掺杂碳纳米管的方法，其特征在于，所述的焦耳热产生的最高温度为400至2200℃。

6.根据权利要求1所述的一种快速焦耳热制备掺杂碳纳米管的方法，其特征在于，所述的脉冲放电的单次放电时间为0.2至10秒。

7.根据权利要求1所述的一种快速焦耳热制备掺杂碳纳米管的方法，其特征在于，所述的脉冲放电的次数为1至20次。

8.根据权利要求1所述的一种快速焦耳热制备掺杂碳纳米管的方法，其特征在于，所述的脉冲放电采用的电源为直流电源或交流电源。

9.一种采用权利要求1至8任意一项所述的方法制备得到的掺杂碳纳米管。

技术总结
本发明属于纳米材料制备领域，具体涉及一种快速焦耳热制备掺杂碳纳米管的方法及掺杂碳纳米管。该方法是通过脉冲放电产生焦耳热，使碳纳米管和含掺杂元素的化合物组成的混合物快速升温并降温，即得所述掺杂碳纳米管。本发明方法可以低成本高效率地生产不同元素掺杂的改性碳纳米管，能够更好地满足碳纳米管添加到不同基材的要求。

技术研发人员：吴丹娜,王瑜,吕海港,张全福,李思殿
受保护的技术使用者：太原赛因新材料科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14