碳納米管宏觀體的純化方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種碳納米管宏觀體的純化方法，其包括以下步驟：S1、構(gòu)建電解裝置，所述電解裝置包括位于電解槽內(nèi)的陰、陽電極和電解質(zhì)；S2、將碳納米管宏觀體附著在所述陽電極上，通電進(jìn)行電解純化。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用電解方法純化碳納米管宏觀體，解決了常規(guī)用酸溶液浸泡碳納米管宏觀體難以除去碳納米管宏觀體內(nèi)部金屬催化劑的問題，而且純化實(shí)現(xiàn)得徹底。本發(fā)明工藝及方法簡便快捷、成本低廉、應(yīng)用廣泛，適宜規(guī)模化推廣應(yīng)用。
【專利說明】碳納米管宏觀體的純化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米材料制造領(lǐng)域，尤其涉及一種碳納米管宏觀體的純化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳納米管宏觀體是由大量碳納米管相互纏繞連接形成的宏觀材料，它是碳納米管研究領(lǐng)域的重要組成部分。碳納米管宏觀體具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性、輕薄、優(yōu)良柔韌性及化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，在電子電力、能源存儲、智能傳感、復(fù)合材料、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用研究已取得一定進(jìn)展。在碳納米管宏觀體制備方面，人們先后發(fā)展了碳納米管溶液旋涂及過濾法、浮動催化氣相直接生長法，以及可紡絲碳納米管垂直陣列直接紡絲法等制備方法。其中前兩者在制備方法中很難避免在碳納米管宏觀體中存在部分金屬催化劑顆粒，這將不可避免地會影響到其性能發(fā)揮和后續(xù)的開發(fā)應(yīng)用。
[0003]目前，對于碳納米管宏觀體的純化方法與技術(shù)主要集中在對碳納米管粉體的純化上，對碳納米管粉體以外的碳納米管宏觀體的純化方法還鮮有報(bào)道；再者，通常的酸液浸泡的純化方法只能除去碳納米管宏觀體表層的一些金屬催化劑，其內(nèi)部大量的金屬催化劑幾乎很難除去。鑒于以上存在的問題，一種有效的碳納米管宏觀體的純化方法亟需被開發(fā)應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種簡便快捷、成本低廉、易于操作的碳納米管宏觀體的純化方法。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種碳納米管宏觀體的純化方法，該方法包括以下步驟:
51、構(gòu)建電解裝置，所述電解裝置包括位于電解槽內(nèi)的陰、陽電極和電解質(zhì)；
52、將碳納米管宏觀體附著在所述陽電極上，通電進(jìn)行電解純化。
[0006]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述陰、陽電極的材料為石墨或者其它惰性金屬。
[0007]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述陰、陽電極的形狀為圓棒狀。
[0008]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述“將碳納米管宏觀體附著在所述陽電極上”具體包括:
采用夾層結(jié)構(gòu)的方式將碳納米管宏觀體與無塵布間隔疊加卷繞在所述電解裝置的圓棒狀陽電極上。
[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述陰、陽電極的形狀為平板狀。
[0010]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述“將碳納米管宏觀體附著在所述陽電極上”具體包括:
將所述碳納米管宏觀體 直接貼合在所述電解裝置的平板狀陽電極上。
[0011]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述電解質(zhì)為酸溶液，所述酸溶液選自鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸、乙酸、甲酸、乙二酸、苯甲酸、丁二酸、三氧甲磺酸中的一種或幾種的組合。[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，步驟S2還包括:
在碳納米管宏觀體的純化的過程中，不斷地?cái)嚢杷鲭娊赓|(zhì)。
[0013]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述“通電進(jìn)行電解純化”時(shí)的電壓范圍為0.5^30V,電流范圍為0.1~5Α,電解時(shí)間為0.5~48h。
[0014]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在所述步驟S2之前還包括:將碳納米管宏觀體在空氣中或其它含氧氣氛中進(jìn)行熱氧化預(yù)處理和/或?qū)⑻技{米管宏觀體在酸溶液中浸泡進(jìn)行預(yù)處理。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用電解方法純化碳納米管宏觀體，解決了常規(guī)用酸溶液浸泡碳納米管宏觀體難以除去碳納米管宏觀體內(nèi)部金屬催化劑的問題。本發(fā)明工藝及方法簡便快捷、成本低廉、應(yīng)用廣泛，適宜規(guī)模化推廣應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明碳納米管宏觀體純化方法中電解裝置第一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2本發(fā)明碳納 米管宏觀體純化方法中電解裝置第二實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是碳納米管宏觀體純化方法步驟圖；
圖4是未經(jīng)純化的碳納米管宏觀體的透射電鏡照片；
圖5是經(jīng)電解純化后的碳納米管宏觀體的透射電鏡照片；
圖6是碳納米管宏觀體經(jīng)不同的純化處理后的熱重分析圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下將結(jié)合附圖所示的各實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。但這些實(shí)施方式并不限制本發(fā)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)這些實(shí)施方式所做出的結(jié)構(gòu)、方法、或功能上的變換均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0018]本發(fā)明中所指碳納米管宏觀體可包括碳納米管薄膜、碳納米管紙、碳納米管布、碳納米管片層物、碳納米管纖維及其編織物。通常地，該類碳納米管宏觀體可通過熱化學(xué)氣相沉積法、浮動催化化學(xué)氣相沉積法、碳納米管粉體分散液旋涂成膜法及抽濾成膜法等方式制備，但無論通過哪種制備方法得到的碳納米管宏觀體，其內(nèi)部都會殘留金屬催化劑，而本發(fā)明采用電解方法純化碳納米管宏觀體使得碳納米管宏觀體內(nèi)殘留的金屬催化劑被除去。
[0019]參圖1所示，為本發(fā)明碳納米管宏觀體純化方法中第一實(shí)施方式電解裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，電解裝置10包括電解槽，在電解槽內(nèi)設(shè)置與直流電源正極相連接的陽電極11和與直流電源負(fù)極相連接的陰電極12，電解槽內(nèi)注入有電解質(zhì)13。電解質(zhì)13為酸溶液，由于電解質(zhì)13采用的是酸溶液，相應(yīng)地陰陽兩個(gè)電極則優(yōu)選采用惰性電極以防止酸溶液對其的腐蝕，例如:石墨電極或其它惰性金屬電極，本實(shí)施方式中，優(yōu)選石墨作為電極材料。陽電極11的形狀為平板狀，碳納米管宏觀體20直接貼合在平板狀的陽電極11上，陰電極12的形狀可以任意選擇。
[0020]參圖2所示，為本發(fā)明碳納米管宏觀體純化方法中第二實(shí)施方式電解裝置的結(jié)構(gòu)不意圖，本實(shí)施方式與第一實(shí)施方式的不同之處在于，本實(shí)施方式中陽電極11的形狀為圓棒狀，且碳納米管宏觀體20置于兩層潔凈的無塵布之間組成一種夾層結(jié)構(gòu)，然后將整個(gè)碳納米管宏觀體20與無塵布組成的夾層結(jié)構(gòu)對圓棒狀陽電極11進(jìn)行層層卷繞，最后用扎帶包扎。
[0021]參圖3所示，介紹本發(fā)明碳納米管宏觀體純化方法的一【具體實(shí)施方式】，在本實(shí)施方式中，該方法包括以下步驟:
S1、構(gòu)建電解裝置，電解裝置包括位于電解槽內(nèi)的陰、陽電極和電解質(zhì)。陰陽兩個(gè)電極采用石墨電極，電解質(zhì)為酸溶液，優(yōu)選地，酸溶液可以是鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸、乙酸、甲酸、乙二酸、苯甲酸、丁二酸、三氧甲磺酸的任意一種或幾種組合。另外，在電解純化之前，可以對碳納米管宏觀體做一些預(yù)處理以達(dá)到更徹底的去除碳納米管宏觀體中的殘留金屬雜質(zhì)的目的，如將碳納米管宏觀體在空氣中或其他含氧氣氛中進(jìn)行熱氧化預(yù)處理，例如在150-5000C的空氣氣氛處理5-120min，這樣處理的好處在于，可以預(yù)先將碳納米管宏觀體中的殘留金屬單質(zhì)轉(zhuǎn)化成金屬氧化物，金屬氧化物更容易與酸溶液發(fā)生反應(yīng)變成金屬離子溶入到電解液中；或者將碳納米管宏觀體在20-200°C的酸溶液中浸泡預(yù)處理，或者將上述兩種預(yù)處理方法結(jié)合使用。
[0022]S2、將碳納米管宏觀體附著在陽電極上，通電進(jìn)行電解純化。
[0023]這里，碳納米管宏觀體與陽電極的附著方式有兩種，分別為對應(yīng)上述電解裝置第一實(shí)施方式和第二實(shí)施方式中的附著方式，這里不再贅述。當(dāng)然，在其他替換的實(shí)施方式中，也可以采用其它合適的附著方式。
[0024]附著有碳納米管宏觀體的陽電極完全浸沒在電解質(zhì)中，陰電極也同樣浸沒在電解質(zhì)中，調(diào)節(jié)電解質(zhì)濃度及電解參數(shù)，通電進(jìn)行電解，電解時(shí)的電壓范圍為0.5-30V，電流范圍為0.1-5A，電解時(shí)間為0.5-48h。在電解過程中，通過陽電極上發(fā)生的氧化反應(yīng)將陽電極上附著的碳納米管宏觀體中所殘留的鐵、鎳、鈷、鑰、銅、鋅、鎂以及其他可能殘留的金屬催化劑由原來零價(jià)單質(zhì)態(tài)氧化為高價(jià)離子態(tài)，并通過不斷的攪拌電解質(zhì)溶液，以促使此時(shí)被氧化的高價(jià)金屬離子從碳納米管宏觀體中脫離進(jìn)入到電解質(zhì)溶液中，使得碳納米管宏觀體中所殘留的金屬催化劑去除，得以純化。參圖4和圖5所示，為未經(jīng)純化的碳納米管宏觀體和經(jīng)過本發(fā)明電解方法純化后的碳納米管宏觀體的透射電鏡照片，圖4中黑點(diǎn)顆粒為碳納米管宏觀體中所殘留的金屬催化劑顆粒，而圖5中的黑點(diǎn)顆粒很少，兩圖對比可清楚的看出本發(fā)明的純化方法可以有效地將碳納米管宏觀體中所殘留的金屬催化劑顆粒去除，純化碳納米管宏觀體。另外，由圖6的熱重分析圖可看出，原始的碳納米管宏觀體(pristine CNT)中金屬催化劑的含量約為10% ;經(jīng)過常規(guī)的酸液浸泡處理后，碳納米管宏觀體中的金屬催化劑只能被部分除去，如分別經(jīng)10%H2S04與37%HC1浸泡純化處理后最終殘余的金屬催化劑分別約為6%與4% ;而經(jīng)過2%H2S04電解純化處理后，碳納米管宏觀體中金屬催化劑的最終殘余質(zhì)量降至小于0.6%。因此，碳納米管宏觀體經(jīng)過電解法純化后其金屬催化劑含量在
0.6%以下，相比于常規(guī)的只用酸溶液浸泡來純化碳納米管宏觀體的方法，本發(fā)明的純化效果更好。
[0025]為了更好的闡述本發(fā)明，以下提供一些碳納米管宏觀體純化方法的具體實(shí)施例。
[0026]實(shí)施例1
采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的仏504做電解質(zhì)，石墨做陰陽電極，陽電極11與直流電源正極連接，陰電極12與直流電源負(fù)極連接，在本實(shí)施例中，陽電極11的形狀為平板狀。將碳納米管宏觀體20直接貼合到平板狀的陽電極11上，平板狀的陽電極11的兩面都可貼合碳納米管宏觀體。將貼合碳納米管宏觀體的平板狀的陽電極完全浸沒在電解質(zhì)中，陰電極也同樣浸沒在電解質(zhì)中，把直流電源電壓調(diào)至2-4V，電流調(diào)至0.2-0.5A，電解時(shí)間為12-15h。電解處理過程中對電解質(zhì)進(jìn)行攪拌，以便使碳納米管宏觀體內(nèi)殘留的金屬單質(zhì)催化劑由零價(jià)氧化成高價(jià)態(tài)，以離子形式溶解進(jìn)入電解質(zhì)溶液中。電解過后，將經(jīng)電解純化后的碳納米管宏觀體20從電解槽10中取出，用去離子水將碳納米管宏觀體20清洗4-5次，然后在干燥箱(未圖示)內(nèi)烘干，最后得到純化后的碳納米管宏觀體。
[0027] 實(shí)施例2
采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的H2SOjA電解質(zhì)，石墨做陰陽電極，陽電極11與直流電源正極電連接，陰電極12與直流電源負(fù)極電連接，在本實(shí)施例中，陽電極11的形狀為平板狀。將碳納米管宏觀體20直接貼合到平板狀的陽電極11上，平板狀的陽電極11的兩面都可貼合碳納米管宏觀體。將貼合碳納米管宏觀體的平板狀的陽電極完全浸沒在電解質(zhì)中，陰電極也同樣浸沒在電解質(zhì)中，將直流電源的電壓調(diào)至1-3V，電流調(diào)至0.1-0.3A，電解時(shí)間為3-5h。電解處理過程中對電解質(zhì)進(jìn)行攪拌，以便使碳納米管宏觀體內(nèi)殘留的金屬單質(zhì)催化劑由零價(jià)氧化成高價(jià)態(tài)，以離子形式溶解進(jìn)入電解質(zhì)溶液中。電解過后，將經(jīng)電解純化后的碳納米管宏觀體從電解槽10中取出，用去離子水將碳納米管宏觀體清洗4-5次，然后在干燥箱內(nèi)烘干，最后得到純化后的碳納米管宏觀體。
[0028]實(shí)施例3
采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的&504做電解質(zhì)，石墨做陰陽電極，陽電極11與直流電源正極電連接，陰電極12與直流電源負(fù)極電連接，在本實(shí)施例中，陽電極11的形狀為圓棒狀。將碳納米管宏觀體20置于兩層潔凈的無塵布之間組成一種夾層結(jié)構(gòu)，用碳納米管宏觀體20的一端與棒狀陽電極緊密連接，然后將整個(gè)碳納米管宏觀體與無塵布組成的夾層結(jié)構(gòu)對棒狀陽電極11進(jìn)行層層卷繞，最后用扎帶包扎。將夾層結(jié)構(gòu)的碳納米管宏觀體的棒狀陽電極完全浸沒在電解質(zhì)中，陰電極12也同樣浸沒在電解質(zhì)中，將直流電源的電壓調(diào)至2-4V，電流調(diào)至0.2-0.5A，電解時(shí)間為12-15h。電解處理過程中對電解質(zhì)進(jìn)行攪拌，以便使碳納米管宏觀體內(nèi)殘留的金屬單質(zhì)催化劑由零價(jià)氧化成高價(jià)態(tài)，以離子形式溶解進(jìn)入電解質(zhì)溶液中。電解過后，將電解純化后的碳納米管宏觀體從電解槽10中取出，用去離子水將碳納米管宏觀體清洗4-5次，然后在干燥箱內(nèi)烘干，最后就得到純化后的碳納米管宏觀體。
[0029]實(shí)施例4
采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的&504做電解質(zhì)，石墨做陰陽電極，陽電極11與直流電源正極電連接，陰電極12與直流電源負(fù)極電連接，在本實(shí)施例中，陽電極11的形狀為圓棒狀。將碳納米管宏觀體20置于兩層潔凈的無塵布之間組成一種夾層結(jié)構(gòu)，用碳納米管宏觀體20的一端與棒狀陽電極緊密連接，然后將整個(gè)碳納米管宏觀體與無塵布組成的夾層結(jié)構(gòu)對棒狀陽電極11進(jìn)行層層卷繞，最后用扎帶包扎。將夾層結(jié)構(gòu)的碳納米管宏觀體的棒狀陽電極完全浸沒在電解質(zhì)中，陰電極12也同樣浸沒在電解質(zhì)中，將直流電源的電壓調(diào)至1-3V，電流調(diào)至0.1-0.3A，電解時(shí)間為3-5h。電解處理過程中對電解質(zhì)進(jìn)行攪拌，以便使碳納米管宏觀體內(nèi)殘留的金屬單質(zhì)催化劑由零價(jià)氧化成高價(jià)態(tài)，以離子形式溶解進(jìn)入電解質(zhì)溶液中。電解過后，將電解純化后的碳納米管宏觀體從電解槽中取出，用去離子水將碳納米管宏觀體清洗4-5次，然后在干燥箱內(nèi)烘干，最后就得到純化后的碳納米管宏觀體。
[0030]應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施方式中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。
[0031]上文所列出的一系列的詳細(xì)說明僅僅是針對本發(fā)明的可行性實(shí)施方式的具體說明，它們并非用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明技藝精神所作的等效實(shí)施方式或變更均應(yīng)包含在本發(fā)明 的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種碳納米管宏觀體的純化方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 51、構(gòu)建電解裝置，所述電解裝置包括位于電解槽內(nèi)的陰、陽電極和電解質(zhì)； 52、將碳納米管宏觀體附著在所述陽電極上，通電進(jìn)行電解純化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳 納米管宏觀體的純化方法，其特征在于，所述陰、陽電極的材料為石墨或者其它惰性金屬。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管宏觀體的純化方法，其特征在于，所述陰、陽電極的形狀為圓棒狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的碳納米管宏觀體的純化方法，其特征在于，所述“將碳納米管宏觀體附著在所述陽電極上”具體包括: 采用夾層結(jié)構(gòu)的方式將碳納米管宏觀體與無塵布間隔疊加卷繞在所述電解裝置的圓棒狀陽電極上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管宏觀體的純化方法，其特征在于，所述陰、陽電極的形狀為平板狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的碳納米管宏觀體的純化方法，其特征在于，所述“將碳納米管宏觀體附著在所述陽電極上”具體包括: 將所述碳納米管宏觀體直接貼合在所述電解裝置的平板狀陽電極上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管宏觀體的純化方法，其特征在于，所述電解質(zhì)為酸溶液，所述酸溶液選自鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸、乙酸、甲酸、乙二酸、苯甲酸、丁二酸、三氧甲磺酸中的一種或幾種的組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管宏觀體的純化方法，其特征在于，步驟S2還包括: 在碳納米管宏觀體的純化過程中，不斷地?cái)嚢杷鲭娊赓|(zhì)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管宏觀體的純化方法，其特征在于，所述“通電進(jìn)行電解純化”時(shí)的電壓范圍為0.5~30V，電流范圍為0.1-5Α,電解時(shí)間為0.5~48h。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管宏觀體的純化方法，其特征在于，在所述步驟S2之前還包括:將碳納米管宏觀體在空氣中或其它含氧氣氛中進(jìn)行熱氧化預(yù)處理和/或?qū)⑻技{米管宏觀體在酸溶液中浸泡進(jìn)行預(yù)處理。
【文檔編號】C01B31/02GK103979526SQ201410218259
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月22日
【發(fā)明者】張永毅, 高鵬, 李清文, 金赫華 申請人:蘇州捷迪納米科技有限公司