涂覆碳納米材料的方法技術(shù)

提供了在碳納米材料上自催化鍍納米顆粒的方法，所述方法包括：提供在包含氧化劑的溶液中的納米材料，該溶液被維持在第一溫度范圍內(nèi)并且攪拌該溶液持續(xù)第一預(yù)定的時間段；加熱該溶液以達(dá)到高于第一溫度范圍的第二溫度范圍，并且攪拌該溶液持續(xù)短于第一時間段的第二預(yù)定的時間段，同時使該溶液維持在第二溫度范圍內(nèi)；過濾并且沖洗納米材料；使納米材料分散在包含敏化劑的水溶液中；使納米材料沉浸在包含粘附至納米材料的種子顆粒的混合物中；收集納米材料；通過沉浸在包含水性金屬源和第一水性還原劑的鍍液中鍍納米材料，使得金屬層在納米材料上從種子顆粒生長；從鍍液移除納米材料；使納米材料分散在包含第二還原劑的水溶液中；加熱該溶液以達(dá)到第三溫度范圍并且進(jìn)行加熱的溶液的超聲處理持續(xù)第三預(yù)定的時間段，同時使該溶液維持在第三溫度范圍內(nèi)。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】【專利說明】專利
本專利技術(shù)涉及碳基納米材料，并且特別地涉及這類材料的涂覆。技術(shù)背景碳基納米材料(CNM)最近已經(jīng)吸引了大量的注意，這是因?yàn)槠渫怀龅臋C(jī)械性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)。例如，碳納米管(CNT)、碳納米纖維(CNF)和石墨烯是用于多種應(yīng)用的理想原材料，這是由于其優(yōu)良的機(jī)械特性，包括高抗張強(qiáng)度和高彈性模量以及高熱導(dǎo)率和高電導(dǎo)率。因此，積極推行用于CNM的實(shí)際應(yīng)用的研究。特別地，并入這些納米材料的金屬復(fù)合材料示出作為提供改進(jìn)的且獨(dú)特的功能的新的材料的希望。例如，金屬-CNF復(fù)合材料被期望具有高強(qiáng)度和高熱導(dǎo)率。然而，在復(fù)合材料內(nèi)可以檢測到某些缺陷和空隙，這是因?yàn)镃NF的與諸如錫合金、鋁和銀的熔融金屬的差的潤濕性，這也是所有種類的CNM中存在的常見問題。因此，在與金屬合金組合之前CNM的表面改性是必需的。在表面上應(yīng)用金屬涂層是改進(jìn)其與熔融金屬的潤濕性的最有效的方法之一。金屬涂層或沉積物還可以賦予CNM多種有益的性質(zhì)，諸如高平均密度、在多種溶劑中的良好溶解性以及合意的磁性性質(zhì)和催化性質(zhì)。金屬涂覆的CNM的高平均密度可以阻止其免于在回流之后作為雜質(zhì)被焊劑移除。均勻的金屬涂層還可以充當(dāng)屏障以阻止納米材料團(tuán)聚，從而使其更易獲得良好分散的CNM懸浮物。用鐵磁金屬涂覆的CNM可以通過磁場可受控制地被移動，這可以導(dǎo)致具有高度受控的微織構(gòu)的CNM復(fù)合材料。用催化金屬顆粒沉積的CNM可以提供優(yōu)越的催化劑，具有諸如改進(jìn)的燃料電池電極的應(yīng)用。因此，CNM的表面上的均勻分散的金屬涂層對于實(shí)現(xiàn)前述引人注目的性質(zhì)變得重要。然而，CNM的惰性性質(zhì)還導(dǎo)致與周圍環(huán)境弱的相互作用，因此在表面功能化(包括金屬納米顆粒的均勻沉積)方面提供了挑戰(zhàn)。關(guān)于CNM的金屬涂層工藝是已知的，但正常敏化工藝，像簡單使用錫(II)離子作為敏化劑來預(yù)處理CNM，沒有很好地起作用，這是因?yàn)镃NM的強(qiáng)的表面惰性，并且傳統(tǒng)的硝酸處理不能形成足夠的活化點(diǎn)，因?yàn)樘己拖跛嶂g的反應(yīng)不能被精確地控制。所有這些因素將對沉積的金屬納米顆粒的粒度分布和均勻性具有負(fù)面影響。發(fā)曰月概沐鑒于涂覆的納米材料的以上提及的期望的性質(zhì)，以及現(xiàn)有技術(shù)的以上提及的和其他缺陷，本專利技術(shù)的目的是提供用于碳納米材料的自催化鍍的改進(jìn)的方法。根據(jù)本專利技術(shù)的第一方面，因此提供用于碳納米材料的自催化鍍的方法，所述方法包括以下的步驟:提供在包含至少兩種氧化劑的氧化溶液中的碳納米材料，溶液被維持在第一溫度范圍內(nèi)并且攪拌溶液持續(xù)第一預(yù)定的時間段；加熱溶液以達(dá)到高于第一溫度范圍的第二溫度范圍，并且攪拌該溶液持續(xù)短于第一時間段的第二預(yù)定的時間段，同時使溶液維持在第二溫度范圍內(nèi)；從氧化溶液移除納米材料；使納米材料分散在包含敏化劑的水性敏化溶液中；從敏化溶液移除納米材料；使納米材料沉浸在包含粘附至納米材料的種子顆粒的種子混合物中；從種子混合物移除納米材料；通過使納米材料沉浸在包含水性金屬源和第一水性還原劑的鍍液中鍍納米材料，使得金屬層在納米材料上從種子顆粒生長；從鍍液移除納米材料；使納米材料分散在包含第二還原劑的水溶液中；以及加熱溶液以達(dá)到第三溫度范圍并且進(jìn)行加熱的溶液的超聲處理持續(xù)第三預(yù)定的時間段，同時使溶液維持在第三溫度范圍內(nèi)。在本上下文中，碳納米材料(CNM)應(yīng)該被理解為具有至少某些在納米大小范圍內(nèi)的特征的碳基材料或結(jié)構(gòu)。自催化鍍，也被稱為無電鍍或化學(xué)鍍，涉及在不使用外部電功率的情況下在水溶液中發(fā)生反應(yīng)的過程。從相應(yīng)的溶液和/或混合物移除碳納米材料的步驟可以通過技術(shù)人員已知的諸如過濾和/或干燥的任何常規(guī)方法來進(jìn)行。本專利技術(shù)基于以下認(rèn)識:在預(yù)處理步驟期間，通過使用至少兩種不同氧化劑(多氧化劑)，CNM的表面被在某個溫度范圍下對碳具有強(qiáng)烈作用的多氧化劑氧化。從而，氧化的程度可以通過修改反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間來精確地控制。控制CNM的氧化的程度是重要的，因?yàn)檫^高的氧化程度可以破壞碳材料的結(jié)構(gòu)。這里，氧化被分成兩個步驟，其中在工藝開始時，維持低溫持續(xù)長時間，以使得氧化劑滲入碳分子間隔。接下來，溫度被提高并且被維持較短的時間以引發(fā)反應(yīng)。在此步驟，最初穩(wěn)定的SP2碳碳鍵被突然破壞，且代替地在CNM的表面上形成充足的可逆的含氧基團(tuán)，而不破壞材料的整體結(jié)構(gòu)。可以快速提高溫度。在表面氧化之后，通過無電沉積過程合成金屬層，在無電沉積過程中CNM的表面上的金屬納米顆粒的分散、大小和幾何結(jié)構(gòu)可以很好地被控制，這是因?yàn)榻j(luò)合劑的存在和還原劑使精制的和均勾的金屬納米顆粒沉積在基底表面上的特定性質(zhì)。隨后的金屬涂覆的CNM的還原可以從碳表面移除大部分含氧基團(tuán)并且使碳碳鍵重新形成。在本專利技術(shù)的一個實(shí)施方案中，第一溫度范圍可以有利地是-10°C至10°C并且第一時間段可以是lh_8h。在本專利技術(shù)的一個實(shí)施方案中，第二溫度范圍可以有利地是30_50°C并且第二時間段可以是10-60min。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，以上提及的溫度范圍和時間段允許CNM的有效氧化，而不破壞CNM的原始結(jié)構(gòu)。根據(jù)本專利技術(shù)的一個實(shí)施方案，氧化劑可以有利地包括硫酸、硝酸、高錳酸鉀、重鉻酸鉀和氮化鈉中的至少兩種。通過利用例如硫酸分子來滲透穿過CNT的不同層并且將高錳酸鉀分子帶入內(nèi)部并且實(shí)現(xiàn)氧化，可以形成足夠量的氧化斑點(diǎn)以促進(jìn)隨后的金屬涂覆過程。此外，敏化劑可以優(yōu)選地包括甲醛、聚乙烯吡咯烷酮或氯化錫(II)。在本專利技術(shù)的一個實(shí)施方案中，從氧化溶液移除納米材料的步驟可以有利地包括過濾納米材料且以去離子水沖洗直到?jīng)_洗液的PH值是約7。從而，通過監(jiān)測pH值，可以確定所有氧化劑被移除以及可以確定僅碳納米材料保留。根據(jù)本專利技術(shù)的一個實(shí)施方案，種子顆粒可以有利地包含鈀。例如，可以從氯化鈀提供鈀。然而，其他金屬還可以被用作種子顆粒，諸如金、銀和銅。根據(jù)本專利技術(shù)的一個實(shí)施方案，第一還原劑可以包括硫酸鈷、氯化亞鐵、甲醛、聚乙烯吡咯烷酮、氨水、乙二胺、乙二胺四乙酸或苯并三唑。根據(jù)本專利技術(shù)的一個實(shí)施方案，鍍的步驟可以有利地包括通過超聲波移除所述溶液中的溶解氧以避免所述還原劑的氧化。根據(jù)本專利技術(shù)的一個實(shí)施方案，鍍的步驟可以在密閉的容器中使氮?dú)獯┻^所述溶液來進(jìn)行。根據(jù)本專利技術(shù)的一個實(shí)施方案，水性金屬源可以包括鈀、銀、金或鎳。在本專利技術(shù)的一個實(shí)施方案中，水性金屬源可以是選自包括以下的組的金屬離子源:氮化銀、氯酸鈀、氯化金、氯化鎳、氨水、硫酸銨、乙二胺和乙二胺四乙酸。在本專利技術(shù)的一個實(shí)施方案中，第三溫度范圍可以是60-100°C并且第三時間段可以是至少一個小時。在本專利技術(shù)的一個實(shí)施方案中，碳納米材料可以是碳納米管、碳納米纖維或石墨稀。當(dāng)然，還可以使用其他類似的碳基納米材料。此外，類似的碳納米材料可以通過不同的名稱被提到，諸如納米棒、納米柱、納米線及類似物。在本專利技術(shù)的一個實(shí)施方案中，鍍的步驟可以被進(jìn)行持續(xù)0.5h至24h。鍍的時間確定CNM上獲得的金屬涂層的厚度。因此，可能通過控制鍍的時間來實(shí)現(xiàn)期望的涂層厚度。根據(jù)本專利技術(shù)的一個實(shí)施方案，第二還原劑可以有利地選自包括以下的組:氫氧化鉀、硼氫化鈉、焦掊酸、L-抗壞血酸和一水合肼。第二還原劑優(yōu)選地是強(qiáng)還原劑。當(dāng)學(xué)習(xí)所附權(quán)利要求和以下描述時，本專利技術(shù)的另外的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯。技術(shù)人員認(rèn)識到，在不背離本專利技術(shù)的范圍的情況下，本專利技術(shù)的不同特征可以被組合以產(chǎn)生除了以下描述的那些以外的實(shí)施方案。附圖簡沐現(xiàn)在將參考示出本專利技術(shù)的示例本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種用于碳納米材料的自催化鍍的方法，所述方法包括以下的步驟：提供在包含至少兩種氧化劑的氧化溶液中的碳納米材料，所述溶液被維持在第一溫度范圍內(nèi)，并且攪拌所述溶液持續(xù)第一預(yù)定的時間段；加熱所述溶液以達(dá)到高于所述第一溫度范圍的第二溫度范圍，并且攪拌所述溶液持續(xù)短于所述第一時間段的第二預(yù)定的時間段，同時使所述溶液維持在所述第二溫度范圍內(nèi)；從所述氧化溶液移除所述納米材料；使所述納米材料分散在包含敏化劑的水性敏化溶液中；從所述敏化溶液移除所述納米材料；使所述納米材料沉浸在包含粘附至所述納米材料的種子顆粒的種子混合物中；從所述種子混合物移除所述納米材料；通過使所述納米材料沉浸在包含水性金屬源和第一水性還原劑的鍍液中鍍所述納米材料，使得金屬層在所述納米材料上從所述種子顆粒生長；從所述鍍液移除所述納米材料；使所述納米材料分散在包含第二還原劑的水溶液中；以及加熱所述溶液以達(dá)到第三溫度范圍并且進(jìn)行所述加熱的溶液的超聲處理持續(xù)第三預(yù)定的時間段，同時使所述溶液維持在所述第三溫度范圍內(nèi)。

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：約翰·建影·劉，
申請(專利權(quán))人：斯馬特高科技術(shù)有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：瑞典;SE