碳纳米管的电化学改性处理方法技术

本发明专利技术公开了一种碳纳米管的电化学改性处理方法，属于纳米功能材料改性领域。本发明专利技术是在电解质溶液中，以碳纳米管作为电极材料，并通过电化学仪器，采用各种电化学方法对碳纳米管电极进行施加电压或者电流处理改性。通过本发明专利技术方法对碳纳米管进行改性处理之后，碳纳米管的比表面面积显著增大，亲水性明显增强，电荷容量，充放电电流密度，循环次数等电容性质也得到显著地提高。此外，改性后的碳纳米管还仍然保持原有的独特、高效的电子传递特性。通过本发明专利技术方法改性后的碳纳米管可用于高效的电催化材料，超级电容器材料以及新型表面功能化复合材料的载体等纳米功能材料领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米功能材料改性领域，具体涉及。
技术介绍
自从1991年，Iijima报道发现碳纳米管以来，碳纳米管是纳米功能材料领域研究的热 点。纳米管是由碳原子形成的石墨烯片巻成的无缝、中空的管体， 一般分为单壁碳纳米管 (SWNTs)和多壁碳纳米管(MWNTs)。碳纳米管因其独特的结构、电学、光学、磁学性质和 机械性能在许多的领域具有广阔的应用前景。但由于碳纳米管不溶于水和常见的有机溶剂， 使其应用受到很大的限制，所以对碳纳米管进行修饰以改善其溶解性引起了广大研究人员 的极大兴趣。为了得到可溶性的碳纳米管，很多修饰方法提出的初衷是通过引进适当的功 能基团使之在某些溶液环境或者纳米复合材料中能均匀分散。通过对碳纳米管的修饰，将 一些亲水性，亲脂性基团引入碳纳米管，可以使其溶解性得到大大的改善。目前，最常见 的修饰路线就是对碳纳米管进行酸处理，即通过将碳纳米管在硝酸中回流或将其在硫酸与 硝酸的混合物中超声震荡，将羧基引入碳纳米管。除利用酸氧化外，还可以采用硫酸与双 氧水氧化的方法在碳纳米管中引入羧基。通过这种方法得到的产物无需表面活性剂的帮助， 直接在水中超声1 2min，就可以得到稳定的悬浮液。羧基功能化后使碳纳米管的亲水性得 到了很大的改善。羧基的引入也使碳纳米管能够通过有机反应键合上其它许多功能团。此外，还可以利用碳纳米管与其它功能分子之间的3l电子相互作用、疏水作用等非共价相互作用，可把长链有机物分子固定在碳纳米管外壁，从而得到可溶性的碳纳米管。化学修饰的方法，虽然可以大大的改善碳纳米管的溶解性，但这些处理方法过程复杂， 条件苛刻，操作时存在许多隐患，特别是在大规模的工业生产中。此外，化学修饰方法处 理的碳纳米管虽然在溶解性方面得到改善，但同也使碳管产生了许多的缺陷，破环了碳纳 米管的其它性质。这是化学修饰方法处理碳管存在的最大缺陷。非共价键键合，如n电子 相互作用、疏水作用，虽然可以把长链有机物分子固定在碳纳米管外壁，得到可溶性的碳 纳米管。但有机物分子在碳管外壁的吸附，聚集也必然会导致碳管表面的活性中心被覆盖， 从而降低了碳管的催化活性，电子传递速率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种， 方法操作简单，利用电化学方法施加某一电压，或者通入一定强度的电流对碳纳米管材料 进行改性处理，使碳纳米管材料的亲水性增强，同时提高原有的特性，如电子传递能力， 电催化活性，电容量等。本专利技术目的通过以下技术方案来实现3，在电解质溶液中，以碳纳米管作为电极材料，采用 电化学方法对碳纳米管电极施加电压或者电流；所述电解质溶液为无机或有机电解质溶液，包括酸性，碱性和中性电解质溶液，如硫 酸溶液，氢氧化钾和氯化钾溶液，有机电解质溶液包括各种有机溶液的电解质体系，如十 六烷基溴化铵的乙腈溶液。所述电化学方法为在两电极以上电极体系中，利用电化学仪器控制碳纳米管材料电极 上的电压和电流输出，所述电化学方法包括恒电位法、循环伏安法或恒电流法。所述两电极以上电极体系是指以碳纳米管材料电极作为工作电极，导电金属作为对电 极；或者在两电极体系基础上使用额外的参比电极，所述参比电极包括银-氯化银电极，饱和甘汞电极。在所述无机电解质溶液为酸性电解质溶液时，对碳纳米管电极施加0.5 3V恒电压处 理3~5分钟；或者施加0.1 3mA恒电流处理5 10分钟；或者采用循环伏安法使电压在 0.5 3V之间使用不同扫描速度，如50mV/s， 100mV/s处理碳纳米管任意次数。在所述无机电解质溶液为碱性电解质溶液时，对碳纳米管电极施加0.8 5V恒电压处 理3~5分钟;或者施加1 4 mA恒电流处理5 10分钟;或者采用循环伏安法使电压在0.8 5V之间使用不同扫描速度，如50mV/s， 100mV/s处理碳纳米管任意次数。在所述无机电解质溶液为中性电解质溶液时，对碳纳米管电极施加0.8 2V恒电压处 理3~5分钟;或者施加0.5 2mA恒电流处理1 5分钟;或者采用循环伏安法使电压在0.8 2V之间使用不同扫描速度，如50mV/s， 100mV/s处理碳纳米管任意次数。在所述有机电解质溶液中，采用电化学方法对碳纳米管电极施加1 10V恒电压，处 理1 10分钟；或者施加0.5 2mA恒电流处1 5分钟；或者采用循环伏安法使电压在l IOV之间使用不同扫描速度，如50mV/s， 100mV/s处理碳纳米管任意次数。所述的得到的碳纳米管材料作为表面功能化材料、催 化剂材料和电容器电极材料的应用。所述电化学仪器包括恒电流仪器、恒电位仪器或电化学工作站。本专利技术相对于现有技术的优点及有益效果(1) 本专利技术方法操作简单，处理条件缓和。(2) 本专利技术方法处理过的碳纳米管具有更大的比表面面积，良好的电子传递速率以及 良好亲水性，能均匀地，稳定地分散在水中。此外，提高了电荷容量，增强了充放电电流 密度，获得了循环充放电次数多等优秀的电容性质。(3) 通过本专利技术方法处理的碳纳米管，因其表面独特的亲水性而非常易于进行表面功 能化修饰，如沉积纳米材料，吸附亲水物质等。附图说明图1是未处理的碳纳米管的扫描电镜图；图2是本专利技术方法处理过的碳纳米管的扫描电镜图3是本专利技术方法处理过的碳纳米管的扫描电镜图4是未处理过的碳纳米管表面的接触角测试图5是本专利技术方法处理过的碳纳米管表面的接触角测试图6是未处理的和本专利技术方法处理过的碳纳米管电极在铁氰化钾溶液中的循环伏安图7是未处理的和本专利技术方法处理过的碳纳米管电极在铁氰化钾溶液中的交流阻抗图8是未处理的和本专利技术方法处理的碳纳米管电极在硫酸钠电解质溶液中的循环伏安图9是未处理的和本专利技术方法处理的碳纳米管电极在硫酸钠电解质溶液的充放电测试图IO是未处理的碳纳米管表面修饰半导体氧化物的扫描电镜图11是本专利技术方法处理过的碳纳米管进行表面修饰半导体氧化物的扫描电镜图。 具体实施例方式下面结合实施例对本专利技术作进一步描述。 实施例l:用金属作为衬底，先在衬底上喷洒铁作为催化剂，再通过化学气相沉积的方法在衬底 上生长碳纳米管，图1是在金属衬底上生长出的碳纳米管的扫描电镜图，碳纳米管的直径约为80nm。把生长了碳纳米管的金属衬底裁剪成小的金属片，制备成电极。在lmol/L电 镀槽的氢氧化钾溶液中，以碳纳米管作为工作电极，通过CHI660A电化学工作站对工作电 极施加0.8V恒电压处理5分钟。图2是处理改性后的扫描电镜图。从图2中可以看出，碳 纳米管被裁减成了许多小段，碳纳米管的管壁和末端的缺陷都明显增加，从而导致比表面 面积显著增大。 实施例2:碳纳米管电极的制备如实施例1所述，把生长了碳纳米管的金属衬底裁剪成小的金属 片，制备成电极。在lmol/L的氢氧化钾溶液中，以碳纳米管作为工作电极，通过CHI660A 电化学工作站对工作电极施加5V恒电压处理3分钟。图3是处理改性后的扫描电镜图。 从图3中可以看出，通过本方法处理后，原来的碳纳米管被裁减成了许多小段，碳纳米管 的管壁和末端的缺陷都明显增加，从而导致比表面面积显著增大，催化效率提高。 实施例3:碳纳米管电极的制备如实施例1所述，把生长了碳纳米管的金属衬底裁剪成小的金属 片，制备成电极。在lmol/L的氢氧化钾溶液中，以碳纳米管作为工作电极，通过CH本文档来自技高网...

【技术保护点】
碳纳米管的电化学改性处理方法，其特征在于，在电解质溶液中，以碳纳米管作为电极材料，采用电化学方法对碳纳米管电极施加电压或者电流；　所述电解质溶液为无机或有机电解质溶液，包括硫酸溶液、氢氧化钾溶液、氯化钾溶液或十六烷基溴化铵的乙腈溶液。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：叶建山，莫光权，张叶臻，张伟德，张嘉琪，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]