一种二氧化铈/多壁碳纳米管复合材料.pdf

一种二氧化铈/多壁碳纳米管复合材料，属于碳纳米管复合材料制备领域。特征在于以铈盐和多壁碳纳米管(MWCNTs)为原料，在表面活性剂和碱的作用下，在多壁碳纳米管表面包覆二氧化铈(CeO2)纳米粒子，得到CeO2/MWCNTs复合材料。本发明的优点在于作为一种制备金属氧化物/碳纳米管复合材料的通用方法，可用于很多种金属元素氧化物/碳纳米管复合材料的制备，其制备工艺简单，原材料价格低廉，无毒无害，反应温度适中，能耗低。

1.  一种二氧化铈/多壁碳纳米管复合材料，其特征在于反应按如下步骤进行：
步骤(a)：1重量份干燥的碳纳米管原料，加入0.1～100重量份强氧化性酸，沸腾回流0.5～100hr，小时，以漏斗抽滤，反复洗涤多次至中性，在0～180℃，得到酸化的碳纳米管；
步骤(b)：加入步骤(a)所得酸化碳纳米管1重量份、铈盐1～100重量份和表面活性剂1～100重量份和去离子水1～100重量份，以0～100kHz超声波处理10～1000min后，加热到20℃～200℃，搅拌下反应0.5～100h，加入1～100重量份碱液，搅拌下反应0.5～100hr，静置0.5～100h，抽滤并反复洗涤后，0～180℃空气中干燥，100℃～400℃下煅烧，得到二氧化铈/多壁碳纳米管复合材料。

2.  根据权利要求1所述的二氧化铈/多壁碳纳米管复合材料及其制备方法，其特征在于：步骤(a)中所用的碳纳米管为催化热解、电弧放电、模板法以及激光蒸发方法制备的多壁碳纳米管。

3.  根据权利要求1所述的二氧化铈/多壁碳纳米管复合材料及其制备方法，其特征在于：步骤(a)所用强氧化性酸包括硝酸、硫酸、硝酸和硫酸混合酸，还有添加有高锰酸钾或者H₂O₂的盐酸、硝酸、硫酸或它们的混合酸。

4.  根据权利要求1所述的二氧化铈/多壁碳纳米管复合材料及其制备方法，其特征在于：步骤(b)所用的碱液为NaOH、NaAc、(NH₃)₂CO₃、氨水中的任何一种或其任意2-3种的混合物。

5.  根据权利要求1所述的二氧化铈/多壁碳纳米管复合材料及其制备方法，其特征在于：步骤(b)所用的铈盐为Ce(NO₃)₃、Ce(Ac)₃、Ce(SO4)₂中的任何一种。

6.  根据权利要求1所述的二氧化铈/多壁碳纳米管复合材料及其制备方法，其特征在于：步骤(b)所用的表面活性剂为SDS、CTAB、PEG、TEA、TX-100中的任何一种或其任意2-3种的混合物。

一种二氧化铈/多壁碳纳米管复合材料
技术领域
本发明属于碳纳米管复合材料制备领域，特别是提供了一种二氧化铈/多壁碳纳米管复合材料。
背景技术
自碳纳米管首次被发现并能够大批量生产以来，碳纳米管这种新型材料在性能和应用方面得到了广泛的研究。碳纳米管是由类似石墨的六边形网格所卷曲而成的中空和两端封闭的多层管状物。碳纳米管直径在几纳米到几十纳米之间，长度可达数微米，它的层片间距一般为0.34nm。由于其具有极大的比表面积和化学稳定性，以及独特的电子结构、孔腔结构和吸附性能，也被认为是一种良好的载体。近几年来，由于碳纳米管管壁的官能化的发展，加之其优良的电子传导性，对反应物种和反应产物的特殊吸附及脱附性能，特殊的孔腔空间立体选择性，碳与金属催化剂的金属-载体强相互作用以及碳纳米管的量子效应而导致的特异性催化和光催化性质，使其越来越多地用作催化剂载体。二氧化铈具有特殊的光学和化学性能，在异质催化中引起越来越多的关注，并且在三元催化及车辆尾气处理中表现出优良的性能。因此，以铈盐和多壁碳纳米管(MWCNTs)为原料，在表面活性剂和碱的作用下，在多壁碳纳米管表面包覆二氧化铈(CeO₂)纳米粒子，得到CeO₂/MWCNTs复合材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二氧化铈/多壁碳纳米管复合材料。作为一种制备金属氧化物/碳纳米管复合材料的通用方法，可用于很多种金属元素氧化物/碳纳米管复合材料的制备，其制备工艺简单，原材料价格低廉，无毒无害，反应温度适中，能耗低。
本发明的技术方案是首先以强氧化性酸对多壁碳纳米管进行表面处理，然后将处理后的多壁碳纳米管超声分散于表面活性剂溶液，混合物在三口烧瓶中不断搅拌，依次加入铈盐溶液和碱，体系经反应、陈化、过滤、烘干、煅烧后得到二氧化铈/多壁碳纳米管复合材料复合材料。其工艺步骤如下：
步骤(a)：1重量份干燥的碳纳米管原料，加入0.1～100重量份强氧化性酸，沸腾回流0.5～100hr，小时，以漏斗抽滤，反复洗涤多次至中性，在0～180℃，得到酸化的碳纳米管；
步骤(b)：加入步骤(a)所得酸化碳纳米管1重量份、铈盐1～100重量份和表面活性剂1～100重量份和去离子水1～100重量份，以0～100kHz超声波处理10～1000min后，加热到20℃～200℃，搅拌下反应0.5～100h，加入1～100重量份碱液，搅拌下反应0.5～100hr，静置0.5～100h，抽滤并反复洗涤后，0～180℃空气中干燥，100℃～400℃下煅烧，得到二氧化铈/多壁碳纳米管复合材料。
本发明所述的碳纳米管为催化热解、电弧放电、模板法以及激光蒸发方法制备的多壁碳纳米管；所述的强氧化性酸包括硝酸、硫酸、硝酸和硫酸混合酸，还有添加有高锰酸钾或者H₂O₂的盐酸、硝酸、硫酸或它们的混合酸；所述的碱液为NaOH、NaAc、(NH₃)₂CO₃、氨水中的任何一种或其任意2-3种的混合物；所述的铈盐为Ce(NO3)₃、Ce(Ac)₃、Ce(SO4)₂中的任何一种；所述的表面活性剂为SDS、CTAB、PEG、TEA、TX-100中的任何一种或其任意2-3种的混合物。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
作为一种制备金属氧化物/碳纳米管复合材料的通用方法，可用于很多种金属元素氧化物/碳纳米管复合材料的制备，其制备工艺简单，原材料价格低廉，无毒无害，反应温度适中，能耗低。
附图说明
图1为CeO₂/MWCNTs复合材料的透射电子显微镜照片。
图2为CeO₂/MWCNTs复合材料的XRD谱图。
图3为CeO₂/MWCNTs复合材料的EDS谱图。
图4为CeO₂/MWCNTs复合材料的红外光谱。
具体实施方式
将1g多壁碳纳米管投入60ml浓硫酸(98％)和180ml浓硝酸(65％)的混酸中，沸腾回流4小时，抽滤，在120℃下干燥1小时，得到酸处理后的多壁碳纳米管。
将0.2g酸处理后的多壁碳纳米管加入到50mL 0.1mol/L的十二烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶液中，超声30min，搅拌1h，加入0.1mol/L的Ce(NO₃)₃水溶液，再搅拌1h，温度控制在65℃，然后边搅拌边滴入100mL的25％～28％(质量分数)的浓氨水，继续搅拌5h，陈化10h，离心，用去离子水洗涤3～4次，取出沉淀物，80℃下烘干，烘干的粉末在空气中400℃焙烧，得到CeO₂/MWCNTs复合材料。
使用JEOL JSM-2010型透射电子显微镜对CeO₂/MWCNTs复合材料的形貌进行表征，结果如图1所示，多壁碳纳米管表面均匀连续地包覆上一层CeO₂粒子，粒子直径在30nm-40nm左右。
使用岛津XRD-6000型X射线粉末衍射仪对Eu(TTA)₃phen和CeO₂/MWCNTs复合材料的晶体结构进行表征，Cu Kα射线，λ为0.15406nm，扫描速度为10°/min，测量范围为3°～90°。结果如图2所示。2θ＝26°出现多壁碳纳米管的特征峰。其余是CeO₂的特征峰，其峰强度大，且无其他杂质峰，说明负载于MWCNTs上的CeO₂的晶型良好。
使用日本岛津EPM一810Q电子探针显微分析仪(EDS)对CeO₂/MWCNTs复合材料进行元素定性定量测定。结果如图3所示，产物中存在铈元素，铈原子在CeO₂/MWCNTs复合材料中所占的比例为16.18％。
使用Nlcolet-210型傅立叶红外光谱仪对CeO₂/MWCNTs复合材料的红外光谱进行表征，测量范围400cm^-1-4000cm^-1。结果如图4所示，471cm^-1是CeO₂/MWCNTs复合材料中Ce-O键的伸缩振动峰，1640cm^-1是CeO₂/MWCNTs复合材料中游离水的O-H面内变形振动峰，CeO₂/MWCNTs复合材料的1000cm^-1左右的吸收带是多壁碳纳米管上羟基C-O键的伸缩振动峰，3390cm^-1是多壁碳纳米管上羟基O-H伸缩振动峰。