一种碳纳米管和碳微米管的制备方法技术

本发明专利技术公开一种碳纳米管和碳微米管的制备方法，通过该方法获得的碳管材料以及用各种元素掺杂改性后的碳纳米管和碳微米管材料，不仅能够生成形貌独特的碳管、且其具有高的导电率和比容量，并且循环性能可获得大幅提高。该方法具有设备工艺简单、成本低廉、纯度高、产量大、碳管形貌好等优点，由于液态丙烯腈低聚物存在大量的官能基团，且为液态前驱体，通过对其改性掺杂包覆，可与掺杂物混合均匀，结合紧密，进而生长出中心填充有节状掺杂物的碳纳米管、表面紧密附着有掺杂物颗粒的竹节状碳纳米管和碳微米管。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及碳管材料领域，尤其涉及一种含氮空心竹节状碳纳米管和碳微米管的 制备方法。
技术介绍
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。氢气被很多人视为未来的清洁能源。但是氢气本身密度低，压缩成液体储存又十 分不方便。碳纳米管自身重量轻，具有空心的结构，可以作为储存氢气的优良容器，储存的 氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。适当加热，氢气就可以慢慢释放出来。研究 人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带式的储氢容器。在碳纳米管的内部可以填充金属及其氧化物等物质，这样碳纳米管可以作为模 具，首先用金属等物质灌满碳纳米管，再把碳层腐蚀掉，就可以制备出最细的纳米尺度的导 线，或者全新的一维材料，在未来的分子电子学器件或纳米电子学器件中得到应用。有些碳 纳米管本身还可以作为纳米尺度的导线。这样利用碳纳米管或者相关技术制备的微型导线 可以置于硅芯片上，用来生产更加复杂的电路。碳纳米管的表面及内部还能附着催化剂等 物质，增加其表面积，可以大大的提高其催化及反应活性。利用碳纳米管的性质可以制作出很多性能优异的复合材料。例如用碳纳米管材料 增强的塑料力学性能优良、导电性好、耐腐蚀、屏蔽无线电波。使用水泥做基体的碳纳米管 复合材料耐冲击性好、防静电、耐磨损、稳定性高，不易对环境造成影响。碳纳米管增强陶瓷 复合材料强度高，抗冲击性能好。碳纳米管上由于存在五元环的缺陷，增强了反应活性，在 高温和其他物质存在的条件下，碳纳米管容易在端面处打开，形成一个管子，极易被金属浸 润、和金属形成金属基复合材料。这样的材料强度高、模量高、耐高温、热膨胀系数小、抵抗 热变性能强。碳纳米管还给物理学家提供了研究毛细现象机理最细的毛细管，给化学家提供了 进行纳米化学反应最细的试管。碳纳米管上极小的微粒可以弓I起碳纳米管在电流中的摆动 频率发生变化，利用这一点，科学家专利技术了 “纳米秤”，能够称量单个病毒的质量。随后德国 科学家研制出能称量单个原子的“纳米秤”。碳纳米管由于其具有独特的纳米微观结构及形貌，可更加有效地提高碳负极材料 的可逆嵌锂容量和循环寿命，从而成为新一代高性能化学电源的崭新材料。碳纳米管主要 由于管径(或晶粒)为纳米级尺寸，管与管(或晶粒与晶粒)之间相互交错的缝隙也是纳 米数量级，使其具有优越的嵌锂特性，锂离子不仅可嵌入到管内各管径间、管芯(如碳纳米 管)，而且可嵌入到管间(或晶粒间)的缝隙之中，为锂离子提供了大量的嵌入空间位置，从 而有利于提高锂离子电池的充放电容量、循环寿命及电流密度。由于碳纳米管具有传统碳 质材料无法比拟的高比容量，已成为新一代锂离子电池负极材料的研究重点。但碳纳米管作为锂离子电池的负极活性物质时，存在电压滞后现象和较大的不可逆容量损失，此外，其 充放电电位平台不是很明显。随着碳纳米管的深入研究，越来越多的新奇形貌的碳纳米管被发现，例如竹节状、 圆锥状、树枝状和Y形等。竹节状碳纳米管由一系列分离的空心间隔构成，由于这种独特 的结构，其具有独特的电子学性质，可以作为很好的电极材料，并且具有很多潜在的应用价值。目前常用的碳纳米管制备方法主要有电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法 (碳氢气体热解法)，固相热解法、辉光放电法和气体燃烧法等以及聚合反应合成法。这些方 法工艺复杂，且成本高、产量低。目前还没有简便易行、成本低廉且产量高的方法来制备碳 纳米管。因此，现有技术还有待于改进和发展。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种碳纳米管和碳微米管的制 备方法，旨在解决现有技术中制备碳管工艺复杂，且成本高、产量低的问题。本专利技术的技术方案如下一种碳纳米管的制备方法，其中，包括以下步骤S100、将自制的液态丙烯腈低聚物溶液在10(T20(TC下搅拌100-200小时，形成微环化 的丙烯腈低聚物溶液；S200、将一定量的微环化的丙烯腈低聚物溶液在20(T30(TC下热处理1-10小时，形成 具有一定梯形结构的热氧化的聚丙烯腈低聚物；S300、将热氧化的聚丙烯腈低聚物进行研磨，过筛，室温干燥得到热氧化前躯体； S400、把热氧化前躯体在惰性气氛保护下，气体流量为l(T500ml/min，40(Tl000 °〇煅 烧I-M小时，得到低温碳化前驱体；S500、把低温碳化前驱体在惰性气氛保护下，气体流量为l(T500ml/min，1000^1500°C 煅烧1-10小时，得到碳纳米管材料。所述的碳纳米管的制备方法，其中，步骤SlOO还包括以下步骤在微环化的丙烯 腈低聚物溶液中加入掺杂物并混合均勻，对其进行掺杂改性。所述的碳纳米管的制备方法，其中，所述液态丙烯腈低聚物相对分子量为 106-100000 ；所述液态丙烯腈低聚物是丙烯腈的均聚物，或者是丙烯腈与其它烯类单体的 共聚物，其它烯类单体为苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸、亚甲基丁二 酸中的一种。所述的碳纳米管的制备方法，其中，所述液态丙烯腈低聚物相对分子量为 1600-25000。所述的碳纳米管的制备方法，其中，所述在微环化的LPAN溶液加入掺杂物并混合 均勻的过程中，掺杂物的加入量按质量比为掺杂物液态丙烯腈低聚物=0. 01-0. 5:1 ；所述混合均勻的方式为搅拌、超声或球磨。所述的碳纳米管的制备方法，其中，所述掺杂物为金属掺杂物或非金属掺杂物；所 述金属掺杂物为锡、铜、银、铝、铬、铁、钛、锰、镍、钴金属的金属本身、金属氧化物、金属氮化 物、金属硼化物、金属氟化物、金属溴化物、金属硫化物或者金属有机化合物中的一种或者多种混合；所述非金属掺杂物为硅、磷、硼、氮、碳、硫单质及其化合物中的一种或者多种。所述的碳纳米管的制备方法，其中，步骤S400和S500中煅烧时所用的惰性气氛为 氮气或氩气。一种碳微米管的制备方法，其中，包括以下步骤S100、将自制的液态丙烯腈低聚物溶液在10(T20(TC下搅拌100-200小时，形成微环化 的丙烯腈低聚物溶液；S200、将一定量的微环化的丙烯腈低聚物溶液在20(T30(TC下热处理1-10小时，形成 具有一定梯形结构的热氧化的聚丙烯腈低聚物；S300、将热氧化的聚丙烯腈低聚物进行研磨，过筛，室温干燥得到热氧化前躯体； S400、把热氧化前躯体在惰性气氛保护下，气体流量为l(T500ml/min，40(Tl000 °〇煅 烧I-M小时，得到低温碳化前驱体；S500、把低温碳化前驱体在惰性气氛保护下，气体流量为l(T500ml/min，1500^1800°C 煅烧IO-M小时，得到碳微米管材料。所述的碳微米管的制备方法，其中，步骤SlOO还包括以下步骤在微环化的丙烯 腈低聚物溶液中加入掺杂物并混合均勻，对其进行掺杂改性；所述液态丙烯腈低聚物相对分子量为106-100000 ；所述液态丙烯腈低聚物是丙烯腈 的均聚物，或者是丙烯腈与其它烯类单体的共聚物，其它烯类单体为苯乙烯、甲基丙烯酸甲 酯、甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酸、亚甲基丁二酸中的一种； 所述液态丙烯腈低聚物相对分子量为1600-25000 ；所述在微环化的LPAN溶液加入掺杂物并混合均勻的过程中，掺杂物的加入量按质量 本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种碳纳米管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：Ｓ１００、将自制的液态丙烯腈低聚物溶液在１００～２００℃下搅拌１００－２００小时，形成微环化的丙烯腈低聚物溶液；Ｓ２００、将一定量的微环化的丙烯腈低聚物溶液在２００～３００℃下热处理１－１０小时，形成具有一定梯形结构的热氧化的聚丙烯腈低聚物；Ｓ３００、将热氧化的聚丙烯腈低聚物进行研磨，过筛，室温干燥得到热氧化前躯体；Ｓ４００、把热氧化前躯体在惰性气氛保护下，气体流量为１０～５００ｍｌ／ｍｉｎ，４００～１０００　℃煅烧１－２４小时，得到低温碳化前驱体；Ｓ５００、把低温碳化前驱体在惰性气氛保护下，气体流量为１０～５００ｍｌ／ｍｉｎ，１０００～１５００℃煅烧１－１０小时，得到碳纳米管材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘剑洪，徐坚，吴双泉，张黔玲，何传新，朱才镇，
申请(专利权)人：刘剑洪，
类型：发明
国别省市：94