氧化多壁碳纳米管的方法
阅读：563发布：2020-05-13
专利汇可以提供氧化多壁碳纳米管的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种 氧 化多壁 碳 纳米管 的方法，包括以下步骤：S1，提供至少一根多壁 碳纳米管 ；S2，将所述至少一根 多壁碳纳米管 置于二氧化碳气体并放入加热炉中加热；S3，加热所述加热炉至800℃～950℃，该至少一根多壁碳纳米管被二氧化碳氧化。，下面是氧化多壁碳纳米管的方法专利的具体信息内容。
1.一种氧化多壁碳纳米管的方法，包括以下步骤：
S1，提供至少一根多壁碳纳米管；
S2，将所述至少一根多壁碳纳米管置于二氧化碳气体并放入加热炉中加热；
S3，加热所述加热炉至800℃～950℃，该至少一根多壁碳纳米管被二氧化碳氧化。
2.如权利要求1所述的氧化多壁碳纳米管的方法，加热所述加热炉使其达到900℃。
3.如权利要求1所述的氧化多壁碳纳米管的方法，其特征在于，所述加热炉为一管式炉或马弗炉，所述加热炉中充满二氧化碳气体。
4.如权利要求3所述的氧化多壁碳纳米管的方法，其特征在于，所述加热炉中仅含有二氧化碳气体。
5.如权利要求1所述的氧化多壁碳纳米管的方法，其特征在于，所述至少一根多壁碳纳米管被二氧化碳氧化的过程中，该至少一根多壁碳纳米管的管壁被连续剥离，使该至少一根多壁碳纳米管管壁减少，从而导致直径减小。
6.如权利要求5所述的氧化多壁碳纳米管的方法，其特征在于，被氧化剥离的管壁为一片状结构，该片状结构的厚度为1nm-3nm。
7.如权利要求6所述的氧化多壁碳纳米管的方法，其特征在于，所述片状结构的长度为
50nm以上。
8.如权利要求5所述的氧化多壁碳纳米管的方法，其特征在于，所述至少一根多壁碳纳米管的管壁被剥离后，在多壁碳纳米管的表面形成多个C-O键。
9.如权利要求5所述的氧化多壁碳纳米管的方法，其特征在于，所述至少一根多壁碳纳米管的管壁被剥离后，多壁碳纳米管的表面仅包括多个C-O键。
10.如权利要求1所述的氧化多壁碳纳米管的方法，其特征在于，当所述至少一根多壁碳纳米管为多根多壁碳纳米管时，该多根多壁碳纳米管相互平行且沿同一方向延伸。
氧化多壁碳纳米管的方法
技术领域
背景技术
[0002] 现有技术中，为了满足一些领域的需求，如锂硫电池领域，常常需要将碳质材料进行氧化，碳质材料包括介孔碳，石墨烯，碳纳米管(CNTs)和碳球等。其中，碳纳米管因其开孔结构、较高导电性和一维柔性纳米结构被当作最具前景的碳材料。
[0003] 目前，一般采用浓硫酸或浓硝酸氧化碳纳米管，氧化后的碳纳米管表面分布有很多含氧官能团，这些官能团带负电荷，相邻碳纳米管表面的负电荷产生静电斥力，从而促进了碳纳米管之间的分散。然而，利用酸氧化碳纳米管的方法往往涉及到液体加热，既不安全，产生的废液还带有腐蚀性。
发明内容
[0005] 一种氧化多壁碳纳米管的方法，包括以下步骤：
[0006] S1，提供至少一根多壁碳纳米管；
[0007] S2，将所述至少一根多壁碳纳米管置于二氧化碳气体并放入加热炉中加热；
[0008] S3，加热所述加热炉至800℃～950℃，该至少一根多壁碳纳米管被二氧化碳氧化。
[0010] 图1为本发明实施例提供的氧化多壁碳纳米管的流程示意图。
[0011] 图2为本发明实施例提供的二氧化碳在900℃下氧化多壁碳纳米管的结构示意图。
[0012] 图3为本发明实施例提供的二氧化碳氧化后多壁碳纳米管的管壁被完全剥离的示意图。
[0013] 图4为本发明实施例提供的二氧化碳氧化后多壁碳纳米管的管壁被部分剥离的示意图。
[0014] 图5为本发明实施例提供的二氧化碳氧化后的多壁碳纳米管的透射电镜照片。
[0015] 图6为本发明实施例提供的空气氧化后的多壁碳纳米管的透射电镜照片。
[0016] 图7为本发明实施例提供的二氧化碳氧化多壁碳纳米管和空气氧化多壁碳纳米管的热重分析曲线对比图。
[0017] 图8为本发明实施例提供的未处理的多壁碳纳米管、二氧化碳氧化后的多壁碳纳米管和空气氧化后的多壁碳纳米管的拉曼光谱曲线对比图。
[0018] 图9为本发明实施例提供的未处理的多壁碳纳米管、二氧化碳氧化后的多壁碳纳米管和空气氧化后的多壁碳纳米管的红外吸收光谱曲线对比图。
[0019] 图10为本发明实施例提供的在同等条件下测量的未处理的多壁碳纳米管、二氧化碳氧化后的多壁碳纳米管和空气氧化后的多壁碳纳米管的zeta电位对比图。
具体实施方式
[0020] 以下将结合附图及具体实施例，对本发明提供的氧化多壁碳纳米管的方法作进一步详细说明。
[0021] 请参阅图1～2，本发明实施例提供一种氧化多壁碳纳米管的方法，包括以下步骤：
[0022] S1，提供至少一根多壁碳纳米管；
[0023] S2，将所述至少一根多壁碳纳米管置于二氧化碳气体并放入加热炉中加热；
[0024] S3，加热所述加热炉至800℃～950℃，该至少一根多壁碳纳米管被二氧化碳氧化。
[0025] 在步骤S1中，所述至少一根多壁碳纳米管的直径和长度不限。优选的，每根多壁碳纳米管的长度大于等于50微米。
[0026] 所述至少一根多壁碳纳米管可以为一根，也可以为多根。当所述多壁碳纳米管为多根时，该多根多壁碳纳米管的排列方式不限，可以杂乱无章、沿各个方向排列，也可以相互平行且沿同一方向延伸。所述沿同一方向延伸的多壁碳纳米管可以为一根，也可以为多根，该多根多壁碳纳米管通过范德华力首尾相连。
[0027] 本实施例中，所述多根多壁碳纳米管选自一超顺排碳纳米管阵列，该超顺排碳纳米管阵列为多个彼此平行且垂直于基底生长的多壁碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列，每根多壁碳纳米管的高度为300微米。
[0028] 上述超顺排碳纳米管阵列可以通过化学气相沉积法制备，其具体步骤包括：(a)提供一平整基底，该基底可选用P型或N型硅基底，或选用形成有氧化层的硅基底，本实施例优选为采用4英寸的硅基底；(b)在基底表面均匀形成一催化剂层，该催化剂层材料可选用铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或其任意组合的合金之一；(c)将上述形成有催化剂层的基底在700～900℃的空气中退火约30分钟～90分钟；(d)将处理过的基底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500～740℃，然后通入碳源气体反应约5～30分钟，生长得到超顺排碳纳米管阵列，其高度为200～400微米。通过上述控制生长条件，该超顺排碳纳米管阵列中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。该超顺排碳纳米管阵列中的多壁碳纳米管彼此通过范德华力紧密接触形成阵列。
[0029] 在步骤S2中，所述加热炉为一封闭容器，如管式炉或马弗炉。所述加热炉中充满二氧化碳气体。优选的，所述加热炉中仅含有二氧化碳气体。本实施例中，所述至少一根多壁碳纳米管被放置在一管式炉中，并在该管式炉中仅充满纯的二氧化碳气体。
[0030] 在步骤S3中，所述加热加热炉的时间不限。加热所述加热炉的具体过程为：以一定速率加热所述加热炉直到温度达到800℃～950℃，并维持在该温度继续加热所述加热炉，维持加热的时间优选为10-90分钟。在800℃～950℃之间加热所述加热炉时，加热炉中的多壁碳纳米管出现小于20％的质量损失。也就是说，800℃～950℃之间多壁碳纳米管被二氧化碳氧化。本实施例中，在二氧化碳气体中，以每分钟30℃的速率加热所述加热炉直到温度达到900℃，并在900℃下加热60分钟。
[0031] 在加热过程中，二氧化碳气体与多壁碳纳米管表面的碳原子发生氧化还原反应生成一氧化碳。所述多壁碳纳米管的管壁被连续剥离，使该多壁碳纳米管的直径减小。碳纳米管管壁的剥离造成上述多壁碳纳米管的质量损失。在一些实施例中，当多壁碳纳米管为三层时，氧化剥离可以包括：多壁碳纳米管的外层管壁整层被全部剥离，如图3所示，多壁碳纳米管的一层或两层管壁被完全剥离；多壁碳纳米管的外层管壁被部分剥离，如图4所示，形成图案化的碳纳米管。所述被连续剥离的管壁为一片状结构。该片状结构的形状由二氧化碳氧化反应的时间和加热温度决定。优选的，该片状结构的厚度为1nm-3nm，该片状结构的长度为50nm以上。
[0032] 当所述多壁碳纳米管的长度较长时，例如大于等于300微米时，在氧化过程中，所述多壁碳纳米管管壁的多个不同位置可以被连续剥离，形成一图案化的多壁碳纳米管，该氧化过程不易使多壁碳纳米管的管壁被整层剥离。因此，要实现多壁碳纳米管管壁的整层剥离，多壁碳纳米管的长度优选的应小于等于100微米；更优选的，小于等于50微米。
[0033] 由于二氧化碳本身为弱氧化剂，在多壁碳纳米管被氧化过程中，更倾向于沿多壁碳纳米管的长度方向对碳纳米管管壁进行氧化剥离，所以多壁碳纳米管本身的结构不会受到严重破坏，被剥离下来的管壁为一片状结构。从官能团的角度来说，所述多壁碳纳米管的管壁被剥离的位置出现多个碳氧单键的官能团。本实施例中，所述多壁碳纳米管的管壁被连续剥离后，多壁碳纳米管的表面仅包括多个碳氧单键。
[0034] 在多壁碳纳米管的管壁被连续剥离后，所述多壁碳纳米管表面仅具有碳氧单键官能团并带有负电荷，所述碳氧单键官能团可以为羟基或酚基等。由于多壁碳纳米管管壁上的氧化缺陷是均匀的，所以多壁碳纳米管上带有的官能团和负电荷也是均匀的。
[0035] 本发明进一步将二氧化碳氧化多壁碳纳米管和空气氧化多壁碳纳米管这两种不同的氧化方法进行对比。
[0036] 实施例1
[0037] 将多壁碳纳米管放置在纯二氧化碳气体中，以每分钟30℃的速率加热所述多壁碳纳米管直到温度达到900℃，并在900℃下加热60分钟。
[0038] 对比例1
[0039] 将多壁碳纳米管放置在空气中，以每分钟30℃的速率加热所述多壁碳纳米管直到温度达到550℃，并在550℃下加热30分钟。
[0040] 实施例与对比例的区别在于氧化气体不同，氧化温度不同，氧化时间不同。
[0041] 请参阅图5-6，图5为二氧化碳氧化之后的多壁碳纳米管，图6为空气氧化之后的多壁碳纳米管。从图5中可以看出二氧化碳氧化后的多壁碳纳米管的结构没有受到严重破坏。通过图5和图6的对比，可以看出二氧化碳氧化的多壁碳纳米管的管壁被连续剥离，多壁碳纳米管表面中不存在孔洞；而被空气氧化的多壁碳纳米管，由于氧气的氧化性强，多壁碳纳米管的部分表面区域严重变形，形成孔洞。
[0042] 请参阅图7，图7为二氧化碳氧化多壁碳纳米管和空气氧化多壁碳纳米管的热重分析曲线对比图(本图以碳纳米管在室温下的质量分数为100wt％)。从图中可以看出空气氧化多壁碳纳米管在为651℃-763℃出现严重的质量损失，多壁碳纳米管的质量由90wt％减小为10wt％；而二氧化碳氧化多壁碳纳米管在1009℃(90wt％)-1154℃(10wt％)出现严重的质量损失，质量由90wt％减小为10wt％。因此，为了碳纳米管获得两种气体的氧化改性的同时不会损失太多质量，本实施例中二氧化碳和空气的氧化温度设定为900℃和550℃。
[0043] 请参阅图8，三条曲线分别表示未处理的多壁碳纳米管、二氧化碳氧化的多壁碳纳米管和空气氧化多壁碳纳米管的拉曼光谱，其中D峰强度的相对值代表sp3碳的数量，也就是六元环被破坏，可以是氧化位点；G峰强度的相对值代表sp2碳原子数量，也就是六元环是完整的，未被破坏。从图8中可以看出，未处理的多壁碳纳米管强度ID/IG比值为0.636；二氧化碳氧化的多壁碳纳米管强度ID/IG比值为1.204；空气氧化多壁碳纳米管强度ID/IG比值为0.853.进一步反应出二氧化碳氧化多壁碳纳米管的氧化位点较多。
[0044] 请参阅图9，三条曲线分别表示未处理的多壁碳纳米管、二氧化碳氧化的多壁碳纳米管和空气氧化的多壁碳纳米管的红外吸收光谱。从图9中可以看出，多壁碳纳米管的管壁被剥离的位置碳氧单键的官能团数目增加，而碳氧双键的官能团数目不仅没有增加，反而连原始碳纳米管上存在的碳氧双键都消失了。在完整六元环上sp2杂化的碳原子往往和周围的碳原子通过3个 键相连(还有π键和周围碳原子形成共轭)；碳氧单键中的碳原子可以是sp3杂化的碳原子连着三个相邻碳原子和一个氧原子,这意味着碳氧单键的存在有可能不破坏六元环并没有严重变形；碳氧双键中的碳原子可以是sp3杂化，它将有四个共价键和周围的原子相连，而其中至少有双键连接着氧，意味着只有小于两个键与碳原子相连(这不能发生在完整六元环上，意味着碳氧双键出现在六元环被破坏的区域)。由红外光谱可知经过二氧化碳氧化后的碳纳米管没有碳氧双键，意味着六元环没有被严重破坏。相比于原始多壁碳纳米管：空气氧化的多壁碳纳米管中存在大量的C-O单键和C＝O双键；二氧化碳氧化的多壁碳纳米管中仅含有大量的C-O单键，原多壁碳纳米管中的C＝O双键被二氧化碳除去。
[0045] 请参阅图10，图中三个点分别为对未处理的多壁碳纳米管、二氧化碳氧化的多壁碳纳米管和空气氧化的多壁碳纳米管进行测试得到的zeta电位。从图中可以看出未处理的多壁碳纳米管的zeta电位接近于零；空气氧化的多壁碳纳米管的zeta电位为-6.6V；二氧化碳氧化的多壁碳纳米管的zeta电位为-13.6V。也就是说，二氧化碳氧化的多壁碳纳米管表面具有更多的负电荷。
[0046] 本发明提供的氧化多壁碳纳米管的方法，无需添加溶剂，简单快速地采用纯的二氧化碳气体对多壁碳纳米管进行改性；其次，通过该方法氧化的多壁碳纳米管的表面被连续剥离，不会产生孔洞，且多壁碳纳米管的表面仅含有C-O单键，且负电荷均匀分布。
[0047] 另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
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