一种高纯度碳纳米线圈合成用催化剂的一步水热合成方法及其应用与流程

本发明属于材料制备技术领域，涉及一种高纯度碳纳米线圈合成用催化剂的一步水热合成方法及其应用。

背景技术：

具有手性螺旋结构的碳纳米线圈在复合材料、储能、场发射器件、传感器、电磁波吸收材料、微机械系统中都有广泛的应用前景，因此高效、低成本、绿色的方法来制备高纯度cnc非常重要。

目前为止最适合大规模制备cnc的方法是化学气相沉积法(cvd)，该方法需要活性优异的催化剂来分解碳源气体，并通过其各向异性引起的析碳能力不同从而导致螺旋生长。目前报道的催化剂主要以物理气相沉积、化学共沉积法为主，但存在产率低，副产物碳层厚这一问题。另一方面，物理气相沉积通常需要昂贵的真空设备，不利于大规模制备。现有技术针对上述问题主要的解决方法是采用如n，n-二甲基甲酰胺(dmf)等有机还原性溶剂利用溶剂热法制备催化剂用于高纯度的cnc制备[参见中国专利申请号：201811189147.4]，但是有机溶剂往往会带来污染性副产物，且后处理清洗较为困难，因此迫切需要找到一种绿色环保且成本低廉的催化剂制作方法用于制备高纯度cnc。

技术实现要素：

本发明的目的是针对目前高效合成碳纳米线圈过程中，催化剂合成过程复杂、产物污染环境、成本高昂这一问题，提供一种一步水热法制备fe-sn-o催化剂颗粒的方法。该方法采用水作为溶剂，尿素作为还原剂，具备高效、绿色、低成本的特征。另外，采用本发合成的催化剂制备的碳纳米线圈具有纯度高，副产物极少的优点，使得本发明具备突出的产业化应用前景。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种高纯度碳纳米线圈合成用催化剂的一步水热合成方法，具体方法为：采用可溶性fe³⁺盐和可溶性sn⁴⁺盐为原料，将其溶解于含有尿素的水溶液中得到催化剂前驱体溶液，其中，fe³⁺/sn⁴⁺混合溶液的浓度范围是0.01-0.2mol/l。将催化剂前驱体溶液转移至反应釜中，利用水热法在120-200℃反应4-20小时，清洗干燥后得到催化剂粉末，催化剂主要由fe-sn-o组成，催化剂纳米颗粒的尺寸为50-500nm。

所述的fe³⁺盐和sn⁴⁺盐中，fe：sn的原子摩尔比30:1～5:1。

所述的含有尿素的水溶液中，尿素浓度为10mg/ml-50mg/ml。

所述的可溶性fe³⁺盐包括但不限于氯化铁、硝酸铁、硫酸铁等，可溶性sn⁴⁺盐包括但不限于氯化锡，sn⁴⁺盐与fe³⁺盐可以任意组合。

采用上述合成方法制备得到的催化剂的应用，采用该催化剂催化合成副产物极少的高纯度碳纳米线圈，具体方法为：将制备得到的催化剂粉末分散至水或乙醇中，其中分散液浓度为0.1-5mg/ml，清洗担载衬底。量取催化剂分散液滴涂、旋涂或喷涂至衬底表面，基板表面催化剂担载量为0.1-1mg/cm²，实现催化剂颗粒在基板上的均匀担载及相互堆积接触。将干燥后将其放至于cvd系统中利用化学气相沉积技术合成高纯度(纯度大于95％)碳纳米线圈，产物与担载基本之间无非晶碳层。

所述的衬底包括石英片、硅片、sio2片、石墨基板、不锈钢或和氧化铝基板。

所述的化学气相沉积cvd系统中，以乙炔c2h2为碳源，氩气ar为保护气，反应温度为710℃，反应时间为30min。

本发明方法可以高效制备高纯度碳纳米线圈的原理是：该方法制备的催化剂颗粒分布范围窄，fe和sn元素分布均匀，催化剂团簇整体呈多孔结构，利于碳源气体和催化剂充分接触，且多孔的特性为碳纳米线圈生长提供了必要的空间保证，因此本专利可以实现碳纳米线圈的高纯度制备。

本发明的有益效果为：本发明是将可溶性fe³⁺盐和可溶性sn⁴⁺盐溶解于尿素的水溶液中，采用一步水热法制备fe-sn-o催化剂颗粒，并利用所制备催化剂采用热化学气相沉积法合成高纯度且副产物极少的碳纳米线圈。该制备方法工艺简单，绿色环保，成本低廉，产物形貌均匀，有益于工业大规模制备。

附图说明

图1为实施实例1中制备的催化剂sem图。

图2为实施实例1中典型产物的横断面sem图。

图3为实施实例2中典型产物的横断面sem图。

图4为实施实例3中典型产物的横断面sem图。

图5为实施实例4中典型产物的横断面sem图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。

以下实施实例中cvd的反应条件为：以乙炔(c2h2)为碳源，流速为30sccm，氩气为保护气，流量为230sccm，反应温度为710℃，反应时间为30min。

实施实例1：

(1)一步水热法制备催化剂

取1.212gfe(no3)3·9h2o和52.575mgsncl4·5h2o(fe：sn原子摩尔比为10:1)溶于35ml去离子水中，超声至混合溶液完全溶解后加入1.2g尿素，超声溶解均匀，将混合分散均匀后的混合溶液转移至高温高压反应釜内，在溶剂热体系中控制反应温度在160℃，反应时间为8小时，产物即为催化剂粉末。附图1为所制备催化剂的扫描电镜图，由图可知，催化剂颗粒粒径均一。

(2)使用上述催化剂制备高纯度碳纳米线圈

准确称取制备的催化剂粉末分散至酒精中(浓度为：0.1mg/ml)，担载衬底硅片清洗后干燥待用。量取0.2ml催化剂分散液旋涂至衬底表面(转速:1000/分钟)，上述过程重复10次，待干燥后将担载催化剂的衬底至于cvd系统中反应，待结束后自然降温，附图2为反应后的典型产物截断面扫描电镜图(sem)，由图可知产物为弹簧状螺旋cnc，基板表面无致密厚实的非晶碳层产生，说明本发明所述催化剂具有优异的催化活性，可用于高纯度cnc的大规模制备。

实施实例2：

(1)一步水热法制备催化剂

将273mgfecl3·6h2o和17.53mgsncl4·5h2o(fe：sn原子摩尔比为30：1加入35ml去离子水中，超声至混合溶液完全溶解，最后加入0.5g尿素待完全溶解后转移至反应釜内，在200℃条件下，反应4小时，自然冷却到室温，产物即为催化剂粉末。

(2)使用上述催化剂制备高纯度cnc

量取0.5ml催化剂分散液(浓度为1mg/ml)滴涂至衬底表面，待干燥后将担载催化剂的衬底至于cvd系统反应，待反应结束后自然降温。附图3为反应后的典型产物截断面扫描电镜图(sem)，由图可知产物为弹簧状螺旋cnc，基板表面无致密厚实的非晶碳层产生。

实施实例3：

(1)一步水热法制备催化剂

将200mgfe2(so4)3·9h2o和11.68mgsncl4·5h2o(fe：sn原子摩尔为30:1)溶于35ml去离子水，加入1.75g尿素，超声至混合溶液完全溶解，将混合分散均匀后的混合溶液转移至反应釜内，反应温度在150℃，时间为12小时，自然冷却到室温，产物即为催化剂。

(2)使用上述催化剂制备高纯度cnc

准确称取步骤(1)制备的催化剂粉末分散至酒精中(浓度为：0.1mg/ml)，取反应担载衬底清洗后干燥待用。量取5ml催化剂分散液喷涂至衬底表面，待干燥后将担载催化剂的衬底至于cvd系统中反应，产物即为高纯度cnc。附图4为实施实例3反应典型产物的截断面扫描电镜图，从由图可知产物为弹簧状螺旋cnc，基板表面无致密厚实的非晶碳层产生。

实施实例4：

(1)一步水热法制备催化剂

将404mgfe(no3)3·9h2o和70.12mgsncl4·5h2o(fe：sn原子摩尔比为5:1)溶于35ml去离子水，加入0.35g尿素，超声至混合溶液完全溶解，将混合分散均匀后的混合溶液转移至高温高压反应釜内，在溶剂热体系中控制反应温度在120℃，反应时间为20小时，冷却清洗后得到催化剂粉末。

(2)使用上述催化剂制备高纯度cnc

取一定量步骤(1)制备的催化剂粉末分散至水或有机溶液中超声待用(浓度为：1mg/ml)，将0.5ml催化剂分散液涂布至衬底表面；待干燥后将担载催化剂的衬底至于cvd系统中反应，附图5为实施实例4反应典型产物的截断面扫描电镜图，从由图可知产物为弹簧状螺旋cnc，基板表面无致密厚实的非晶碳层产生。

上述实例证明：采用本文提出的技术方案所设计的一步水热法制备的催化剂可以高效制备高纯度cnc，且所用试剂绿色环保廉价，因此该专利可以有效解决目前碳纳米线圈制备过程中纯度低，催化剂制备复杂高成本的问题。同时上述对实例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例子，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。