多孔陶瓷负载碳纳米管膜的制备及其气体渗透性能

【摘要】： 碳纳米管自从1991年被发现以来,由于其独特的结构,超乎寻常的机械性能,电学性能以及特殊的热学、磁、储氢性能,使碳纳米管具有广泛的应用前景,科学界一度掀起了碳纳米管的研究热潮。 但是基于碳纳米管一维纳米孔道结构特点的应用尚未得到完全开发,Sholl等人[20]采用原子模拟方法计算出气体在碳纳米管中的传递速率要比具有相同孔径的沸石或其他微孔材料中的速率快几个数量级。由此预测,如果将碳纳米管制备成膜,碳纳米管膜将会比具有相同孔径的分子筛膜高几个数量级的渗透通量,而且碳管的管径大小可调,因此可以制备出适合于分离不同物系的碳纳米管膜。 Martin等人[54]成功制备了金纳米管分子筛膜,此膜可以将含有吡啶和奎宁的溶液成功分离,小分子的吡啶可以渗透到膜的另一端,而奎宁却不能。表明金纳米管对吡啶和奎宁分子有很好的分离选择性。由此可以推测,碳纳米管膜也将具有更加广阔的应用领域,例如蛋白质分离,纳米反应器以及纳米传感器等。从而使碳纳米管将会成为重要的无机膜材料,开辟了碳纳米管应用的崭新领域,使碳纳米管向实际应用方向迈进一步,同时也扩展了无机膜制备领域技术。 本文首次报道了在具有广泛的实际应用价值的多孔陶瓷基体上制备一致取向的碳纳米管,然后将其制备成负载型碳纳米管膜,并且第一次报道了负载型碳纳米管膜中一些气体的渗透和分离性能。 本文选择并制备了合适的多孔基体,在特定的反应条件下成功地在多孔陶瓷基体上生长一致取向的碳纳米管阵列,然后采用高分子聚合物密封碳纳米管之间的空隙,再使其顶端开口并去除碳纳米管中所包含的催化剂粒子,将其制备成适合气体分离的负载型碳纳米管膜。实验结果表明采用Al_2O_3颗粒经过挤压成片,再高温焙烧而制备的多孔基体具有良好的机械强度和气体渗透通量,而且适合于在各种强酸碱、高温等苛刻条件下使用,是制备碳纳米管膜的良好基体。 采用改进的浮动催化法可以成功地在多孔基体上制备一致取向的碳纳米管阵列,本文考察了此方法中载气、温度对所得产物的影响,结果表明在NH_3中生成了竹节型含氮的石墨化程度较低的碳管,而在N2中则生成管状石墨化程度较高的碳管,碳纳米管的管径随反应温度的升高而增大。同时分析了不同形态的碳纳米管形成原因以及碳纳米管取向生长的机理。实验结果证明垂直取向的碳纳米管阵列在多孔陶瓷上的生长机理为密度控制机理。 实验发现采用聚苯乙烯溶液可以有效填充碳纳米管之间的空隙,同时提高碳管之间及其与基体间的结合强度。采用酸腐蚀方法和机械方法来去除碳纳米管中包含的催化剂和碳管的封闭端,可以有效地使碳纳米管开口。 利用所制备的碳纳米管膜的一维孔道作为膜孔,研究各种气体通过膜的渗透性能。实验结果表明,气体在碳纳米管中有良好的分离选择性,并随着碳管管径的减小以及酸处理时间的延长而增大。负载型碳纳米管膜具有良好的选择性和渗透通量,适合于实际应用。