CN100358803C - 在碳布基底上生长碳纳米管的方法 - Google Patents

在碳布基底上生长碳纳米管的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在碳布基底上生长碳纳米管的方法，包括下述步骤：取石墨纸和1K碳布，石墨纸平铺在石墨模具里，碳布则平铺于石墨纸上，按重量比将Ni粉和升华S粉混合均匀并铺撒在碳布上，将石墨模具放入高温炉中；在确认高温炉中空气排尽后，通入高纯的Ar气，在1～2小时内升温至1050～1300℃；通入天然气，在Ar气保护下于1050～1300℃恒温1～4小时；炉温降至室温后，关闭Ar气，开炉取出石墨模具，碳布上的黑色沉积物即碳纳米管。本发明采用Ni粉和升华S粉为催化剂，催化裂解天然气，直接在碳布上生长碳纳米管，Ni粉和升华S粉以及基底碳布均购来即用，不需要预先制备催化剂，也不需要对基底进行预处理，生长碳纳米管的工艺操作一步完成。

Description

在碳布基底上生长碳纳米管的方法
技术领域
本发明涉及一种生长碳纳米管的方法，特别涉及在碳布基底上生长碳纳米管的方法。
背景技术
文献“Direct growth of carbon nanotubes on the surface of ceramic fibers，Carbon，2005，43：855-894.”公开了一种用注射法生长碳纳米管的方法，该方法以二甲苯-二茂铁的混合液为原料，二茂铁催化裂解二甲苯，在SiC和铝纤维上生长列线的碳纳米管。由于原料采用注射法，以0.05ml/min的速度进给，同时需要依靠氮气和氢气的混合气鼓泡，将二甲苯-二茂铁的混合液携带入反应区，液体进给量很小，需要依靠混合气体鼓泡携入，过程受人为因素影响大，难于控制。
文献“The growth of multi-walled carbon nanotubes with different morphologies oncarbon fibers，Carbon，2005，43：651-673.”公开了一种对二甲苯-二茂铁溶液的催化裂解，在碳纤维上生长多种形态的碳纳米管的方法。原料二甲苯-二茂铁的混合液通过间歇注射，通过氮气和氢气的混合气携入反应区，操作过程复杂。
文献“Synthesis and characterization of in situ grown carbon nanofiber/nanotubereinforced carbon/carbon composites，Carbon，2005，43：2397-2429.”公开了一种利用催化裂解在碳纤维上原位生长碳纳米纤维、碳纳米管的方法，首先将碳纤维在稀的H2SO4，HNO3混合液中进行酸化处理，多次水洗，干燥。再在其上采用原位共沉淀法沉积Ni-Al(4∶1)催化剂，然后催化裂解丙烯和氢气的混合气体，在碳纤维上原位生长碳纳米纤维、碳纳米管。该方法的不足在于：(1)要对基底碳纤维进行酸化处理。(2)要预先制备催化剂，步骤繁杂。
发明内容
为了克服现有技术要预先制备催化剂以及对基底要进行预处理的不足，本发明提供一种在碳布基底上生长碳纳米管的方法，采用市售的物质为催化剂，天然气为碳源，在碳布上直接生长碳纳米管。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种在碳布基底上生长碳纳米管的方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)取石墨纸和1K碳布，石墨纸平铺在石墨模具里，碳布则平铺于石墨纸上，按照Ni∶S＝1∶1～1∶0.2的重量比将Ni粉和化学纯的升华S粉混合均匀并铺撒在碳布上，将石墨模具放入高温炉中；
2)用常规方法检查高温炉的气密性完好后，开启抽气泵，排尽高温炉中空气；
3)在确认高温炉中空气排尽后，通入高纯的Ar气，Ar气流量0.05～0.4m3/h，同时在1～2小时内升温至1050～1300℃；
4)通入天然气，流量为0.1～0.4m3/h，Ar气流量为0.4～2.8m3/h，于1050～1300℃恒温1～4小时；
5)切断电源，随炉降至室温，降温过程仍保持Ar气流量为0.05～0.4m3/h；
6)炉温降至室温后，关闭Ar气，开炉取出石墨模具，碳布上的黑色沉积物即碳纳米管。
所述Ni粉颗粒为200～400目。
本发明的有益效果是：由于采用Ni粉和升华S粉为催化剂，催化裂解天然气，直接在碳布上生长碳纳米管，催化剂Ni粉和升华S粉以及基底碳布均购来即用，不需要预先制备催化剂，也不需要对基底进行预处理，碳源天然气廉价易得，生长碳纳米管的工艺操作一步完成。
附图说明
图1(a)是在碳布基底上生长碳纳米管的方法生长的多壁碳纳米管扫描电镜照片
图1(b)是在碳布基底上生长碳纳米管的方法生长的多壁碳纳米管透射电镜照片
具体实施方式
实施例1：
(1)取石墨纸和1K碳布，石墨纸平铺在石墨模具里，碳布则平铺于石墨纸上，石墨纸、碳布的大小以正好平铺满石墨模具为宜。称取200目Ni粉1g、化学纯的升华S粉1g，使之混合均匀并铺撒在碳布上，将石墨模具放入高温炉中；
(2)用常规方法检查高温炉的气密性；
(3)开启真空泵，排除炉中空气，通Ar30分钟，反复上述操作三次，确保炉内空气排尽；
(4)在确认高温炉中空气排尽后，通入高纯的Ar气，使Ar流量为0.4m3/h，1小时内升温至1300℃；
(5)通入天然气，流量为0.1m3/h，Ar流量为0.4m3/h，于1300℃恒温1小时；
(6)切断电源，随炉降至室温，降温过程仍保持Ar气流量为0.4m3/h。
(7)炉温降至室温后，关闭Ar气，开炉取出石墨模具，碳布上有一层黑色沉积物。
经对该黑色沉积物直接取样进行扫描电镜观测，所得碳纳米管为多壁碳纳米管。图1(a)是用本发明方法在碳布上生长的多壁碳纳米管的扫描电镜照片，可明显看出，得到的管状物为离散的、管径较均匀的直径小于100nm的管状物。图1(b)是用本发明方法在碳布上生长的多壁碳纳米管的透射电镜照片，可明显看出，得到的碳纳米管为直的多壁管。
实施例2：
(1)取石墨纸和1K碳布，石墨纸平铺在石墨模具里，碳布则平铺于石墨纸上，石墨纸、碳布的大小以正好平铺满石墨模具为宜。称取300目Ni粉1g、化学纯的升华S粉0.8g，使之混合均匀并铺撒在碳布上，将石墨模具放入高温炉中；
(2)用常规方法检查高温炉的气密性；
(3)开启真空泵，排除炉中空气，通Ar30分钟，反复上述操作三次，确保炉内空气排尽；
(4)在确认高温炉中空气排尽后，通入高纯的Ar气，Ar气流量为0.3m3/h，1小时内升温至1100℃；
(5)通入天然气，流量为0.2m3/h，Ar流量为1.5m3/h，于1100℃恒温2小时；
(6)切断电源，随炉降至室温，降温过程仍保持Ar气流量为0.3m3/h。
(7)炉温降至室温后，关闭Ar气，开炉取出石墨模具，碳布上有一层黑色沉积物。
实施例3：
(1)取石墨纸和1K碳布，石墨纸平铺在石墨模具里，碳布则平铺于石墨纸上，石墨纸、碳布的大小以正好平铺满石墨模具为宜。称取300目Ni粉1g、化学纯的升华S粉0.6g，使之混合均匀并铺撒在碳布上，将石墨模具放入高温炉中；
(2)用常规方法检查高温炉的气密性；
(3)开启真空泵，排除炉中空气，通Ar30分钟，反复上述操作三次，确保炉内空气排尽；
(4)在确认高温炉中空气排尽后，通入高纯的Ar气，Ar气流量为0.1m3/h，1.5小时内升温至1050℃；
(5)通入天然气，流量为0.3m3/h，Ar气流量为2.5m3/h，于1050℃恒温3小时；
(6)切断电源，随炉降至室温，降温过程仍保持Ar气流量为0.1m3/h。
(7)炉温降至室温后，关闭Ar气，开炉取出石墨模具，碳布上有一层黑色沉积物。
实施例4：
(1)取石墨纸和1K碳布，石墨纸平铺在石墨模具里，碳布则平铺于石墨纸上，石墨纸、碳布的大小以正好平铺满石墨模具为宜。称取400目Ni粉1g、化学纯的升华S粉0.2g，使之混合均匀并铺撒在碳布上，将石墨模具放入高温炉中；
(2)用常规方法检查高温炉的气密性；
(3)开启真空泵，排除炉中空气，通Ar30分钟，反复上述操作三次，确保炉内空气排尽；
(4)在确认高温炉中空气排尽后，通入高纯的Ar气，Ar气流量0.05m3/h，同时在2小时内升温至1200℃；
(5)通入天然气，流量为0.4m3/h，Ar气流量为2.8m3/h，于1200℃恒温4小时；
(6)切断电源，随炉降至室温，降温过程仍保持Ar气流量为0.05m3/h；
(7)炉温降至室温后，关闭Ar气，开炉取出石墨模具，碳布的黑色沉积物即碳纳米管。

Claims (2)

1、一种在碳布基底上生长碳纳米管的方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)取石墨纸和1K碳布，石墨纸平铺在石墨模具里，碳布则平铺于石墨纸上，按照Ni∶S＝1∶1～1∶0.2的重量比将Ni粉和化学纯的升华S粉混合均匀并铺撒在碳布上，将石墨模具放入高温炉中；
2)用常规方法检查高温炉的气密性完好后，开启抽气泵，排尽高温炉中空气；
3)在确认高温炉中空气排尽后，通入高纯的Ar气，Ar气流量0.05～0.4m3/h，同时在1～2小时内升温至1050～1300℃；
4)通入天然气，流量为0.1～0.4m3/h，Ar气流量为0.4～2.8m3/h，于1050～1300℃恒温1～4小时；
5)切断电源，随炉降至室温，降温过程仍保持Ar气流量为0.05～0.4m3/h；
6)炉温降至室温后，关闭Ar气，开炉取出石墨模具，碳布上的黑色沉积物即碳纳米管。
2、根据权利要求1所述的在碳布基底上生长碳纳米管的方法，其特征在于：所述Ni粉颗粒为200～400目。
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