一种去除碳纳米管金属杂质的方法与流程

本发明属于碳纳米管材料领域，具体涉及一种去除碳纳米管金属杂质的方法。

背景技术：

1、碳纳米管是碳原子的封闭圆柱形纳米结构，可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。近年来，碳纳米管因其管状、低密度、导热系数超过金刚石、独特的电学和力学性能等优点引起了人们的广泛关注。由于具有优异的电学特性，碳纳米管可用于轻质电线、超级电容器、传感器、燃料电池和锂电池。此外，碳纳米管具有优异的抗拉强度、高杨氏模量和高弹性模量，这使得它们可用于制备碳纳米管增强聚合物复合材料、增强填料、固态电池和纳米复合材料。

2、碳纳米管材料可以使用不同的技术合成，如化学气相沉积、激光烧蚀、电弧放电、hipc工艺、低密度聚乙烯废料回收等。通过这些方法生成的碳纳米管通常含有各种各样的杂质，如非晶态碳、石墨纳米颗粒、富勒烯和合成过程中使用的催化剂颗粒残留的金属杂质(通常是fe、co和ni)。这些杂质会降低碳纳米管的机械性能、导电性和热稳定性，阻碍其应用。因此，探索一种有效去除碳纳米管杂质的方法是必要的。

3、目前，碳纳米管的纯化方法分为物理法和化学法。物理除杂方法是基于碳纳米管和杂质在物理性质和形貌上的差异，这些方法可能是工艺复杂的，高能耗，且需要高温设备。相比之下，化学方法基于选择性氧化去除碳纳米管中的杂质，操作相对简便，可操作性更强。然而，其中许多都涉及非常强的氧化过程，最终产生大量的缺陷，影响碳纳米管的性能。因此，开发在相对温和条件下实现碳纳米管除杂的工艺方法显得尤为重要。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种去除碳纳米管金属杂质的方法，碳纳米管中金属杂质的去除率可达90%以上，且该除杂方法可以大幅度降低成本，工艺简单，符合实际生产需求，能够低成本大规模连续批量去除碳纳米管中含有的金属杂质。

2、为实现以上目的，本发明采取的技术方案是：

3、一种去除碳纳米管金属杂质的方法，包括以下步骤：

4、步骤1：将碳纳米管预处理，利用超声振动对碳纳米管进行分散，使得金属颗粒与碳层分离；

5、步骤2：将预处理后的碳纳米管分散于低浓度无机酸溶液中，进行常温持续搅拌处理，利用低浓度无机酸溶液进行温和除杂过程；

6、步骤3：经除杂过程处理后，将碳纳米管清洗、干燥；

7、步骤4：将干燥后的碳纳米管与聚乙烯醇溶液混合，利用溶液浸渍法对碳纳米管进行物理包覆，形成pva包覆的碳纳米管；

8、步骤5：将pva包覆的碳纳米管在惰性气氛下进行高温碳化处理，将pva转化为碳，形成碳包覆的碳纳米管，其化学方程式为：

9、

10、步骤6：将碳包覆的碳纳米管与氧化铝溶胶混合利用溶胶凝胶法对碳纳米管进行化学包覆，形成氧化铝包覆的碳纳米管，其化学方程式为：

11、

12、上述方法可以有效地去除碳纳米管中的金属杂质，提高碳纳米管的纯度和结晶度；同时，该方法可以保护碳纳米管的结构和性能，增强其在不同领域的应用性能。

13、在较佳试验情况下，所述碳纳米管中主要含有al、fe、mo、co金属杂质，碳纳米管为单壁或多壁碳纳米管。

14、在较佳试验情况下，所述步骤1中超声振动预处理时间为5-20min。超声振动可以产生高频率和高强度的声波，对碳纳米管产生机械力和空化效应，产生高温高压的微爆炸，破坏碳层与金属颗粒之间的结合，并使得碳纳米管之间的相互作用力减弱，从而实现分散，提高碳纳米管的提纯效率。

15、在较佳试验情况下，所述步骤2中低浓度无机酸为盐酸与硝酸的混合溶液；所述无机酸中盐酸的浓度为5-15%；所述无机酸中硝酸的浓度为5-37.5%。该技术方案可以更合理地调节无机酸溶液的ph值和氧化还原性，使得碳纳米管中的金属杂质能够被有效地溶解和去除，同时减少对碳纳米管本身的损伤。

16、在较佳试验情况下，所述步骤2中碳纳米管与低浓度无机酸溶液的料液比为10-100g/l。该技术方案可以更有效地保证碳纳米管在低浓度无机酸溶液中的分散性和均匀性，使得碳纳米管与无机酸之间的接触面积增大，从而提高除杂效率和速度。

17、在较佳试验情况下，所述步骤2中常温为15-30℃；所述搅拌速率为120-400 r/min；所述搅拌时间为1-4 h。该技术方案可以更优化地控制碳纳米管与低浓度无机酸溶液之间的反应动力学，使得碳纳米管中的金属杂质能够被充分地溶解和去除，同时减少对碳纳米管本身的损伤。

18、在较佳试验情况下，所述步骤3清洗后，碳纳米管的ph为5.3-6.5。

19、在较佳试验情况下，所述步骤3中干燥为干燥器烘干，干燥温度为60-100℃，干燥时间为2-8 h。该技术方案可以更合适地控制碳纳米管的水分含量和氧化程度，使得碳纳米管保持其原始的结构和性能。

20、在较佳试验情况下，所述步骤5中高温碳化处理温度为600-650℃，时间为1.5-2h。该技术方案可以得到均匀且连续的碳层，厚度为10nm。

21、本发明的有益效果是：（1）本发明以低浓度无机酸去除碳纳米管含有的fe、co等金属杂质，具有反应条件温和，操作简便，材料易得、价格低廉等优点，是一种效果优异的去除碳纳米管金属杂质的方法，fe、co、ni等金属杂质的去除率可达90%以上；且该除杂方法可以大幅度降低成本，工艺简单，符合实际生产需求，能够低成本大规模连续批量去除碳纳米管中含有的金属杂质；

22、（2）本发明采用的低浓度混酸去除碳纳米管中金属杂质的方法不能完全保证碳纳米管的表面性质、缺陷密度、管径分布等结构参数，从而影响碳纳米管的力学性能和光学性能，因此，采用了对碳纳米管进行包覆处理，以保护碳纳米管的结构和性能，其中聚乙烯醇溶液可以通过吸附作用在碳纳米管表面形成一层均匀的薄膜，从而实现物理包覆，然后在高温下可以发生热解反应，生成水和碳，并且与碳纳米管表面形成共价键或非共价键，从而实现化学包覆；氧化铝溶胶可以与碳纳米管表面发生水解和缩合反应，生成al-o-al网络，并且与碳纳米管表面形成氢键或其他弱相互作用，从而实现核壳结构；化学包覆可以提高碳纳米管的力学性能，例如强度、模量、韧性等。这是因为包覆材料可以保护碳纳米管的结构，防止其受到外界环境的损伤，同时也可以增强碳纳米管之间或与基体之间的相互作用，提高复合材料的力学性能。

技术特征：

1.一种去除碳纳米管金属杂质的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种去除碳纳米管金属杂质的方法，其特征在于，所述碳纳米管中主要含有al、fe、mo、co金属杂质，碳纳米管为单壁或多壁碳纳米管。

3.根据权利要求1所述的一种去除碳纳米管金属杂质的方法，其特征在于，所述步骤1中超声振动预处理时间为5-20min。

4.根据权利要求1所述的一种去除碳纳米管金属杂质的方法，其特征在于，所述步骤2中低浓度无机酸为盐酸与硝酸的混合溶液；所述无机酸中盐酸的浓度为5-15%；所述无机酸中硝酸的浓度为5-37.5%。

5.根据权利要求1所述的一种去除碳纳米管金属杂质的方法，其特征在于，所述步骤2中碳纳米管与低浓度无机酸溶液的料液比为10-100g/l。

6.根据权利要求1所述的一种去除碳纳米管金属杂质的方法，其特征在于，所述步骤2中常温为15-30℃；所述搅拌速率为120-400 r/min；所述搅拌时间为1-4 h。

7.根据权利要求1所述的一种去除碳纳米管金属杂质的方法，其特征在于，所述步骤3清洗后，碳纳米管的ph为5.3-6.5。

8.根据权利要求1所述的一种去除碳纳米管金属杂质的方法，其特征在于，所述步骤3中干燥为干燥器烘干，干燥温度为60-100℃，干燥时间为2-8 h。

9.根据权利要求1所述的一种去除碳纳米管金属杂质的方法，其特征在于，所述步骤5中高温碳化处理温度为600-650℃，时间为1.5-2h。

技术总结本发明公开了一种去除碳纳米管金属杂质的方法，属于碳纳米管材料领域，包括以下步骤：利用超声振动对碳纳米管进行分散，使得金属颗粒与碳层分离；将碳纳米管分散于低浓度无机酸溶液中，进行常温持续搅拌处理，利用低浓度无机酸溶液进行温和除杂过程；将碳纳米管清洗、干燥；将干燥后的碳纳米管与聚乙烯醇溶液混合，利用溶液浸渍法对碳纳米管进行物理包覆，形成PVA包覆的碳纳米管；将PVA包覆的碳纳米管在惰性气氛下进行高温碳化处理，将PVA转化为碳，形成碳包覆的碳纳米管；将碳包覆的碳纳米管与氧化铝溶胶混合利用溶胶凝胶法对碳纳米管进行化学包覆，形成氧化铝包覆的碳纳米管。该方法使碳纳米管中金属杂质的去除率可达90%以上。技术研发人员：刘建忠,朱建裕,陈代雄,刘思受保护的技术使用者：湖南金阳石墨烯研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/5