CN100515936C - 碳纳米管制备装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种碳纳米管制备装置，其包括：一反应腔以及一个基底，该反应腔包括一对相对设置的进气口与排气口，其分别设在该反应腔的底部与顶部，该进气口用于通入碳源气，该基底设置在该反应腔内；一电极，其位于该反应腔内，且该电极与该基底平行，用于产生一垂直于该电极的电场，该电场方向平行于碳源气气流方向；以及至少一线圈，用于产生一垂直于该电极的磁场，且该磁场与所述电场的方向一致。本发明还提供一种利用上述装置制备碳纳米管的方法。在碳纳米管制备过程中，在该线圈上施加一电流，可产生一垂直于该电极的磁场；在该电极上施加一直流偏压，可产生一垂直于该电极的电场；在电场力及磁场力的双重引导作用下制备碳纳米管，可实现其高准直性制备。

Description

碳纳米管制备装置及方法
【技术领域】
本发明涉及一种碳纳米管制备装置及方法，尤其涉及一种采用化学气相沉积法的碳纳米管制备装置及方法。
【背景技术】
因碳纳米管在机械、电子、物理、化学等方面具有优异性能，如独特的金属或半导体导电性，极高的机械强度，高容量储氢能力及吸附能力，场致电子发射性能，定向导热性能以及较强的宽带电磁波吸收特性等，使得碳纳米管受到物理、化学及材料科学等领域以及高新技术产业部门的极大重视，同时促进了碳纳米管的广泛研究与实际应用。目前，碳纳米管广泛应用在增强材料、场致电子发射材料、超级电容器电极材料、气体吸附材料、催化材料、热传导材料以及传感材料等领域。
目前，较为成熟的碳纳米管制备方法主要有三种：电弧放电法、雷射烧蚀法以及化学气相沉积法。其中，化学气相沉积法是采用过渡金属或其氧化物作为碳纳米管生长用催化剂，在一定温度下，使碳源气在催化剂表面分解而生长出碳纳米管的方法，因其工艺简便、成本低、可批量生长等特点而得到广泛的研究与应用。
现有技术提供一种采用化学气相沉积法的碳纳米管制备装置，其包括一反应腔，该反应腔包括分别设在其底部及顶部的进气口及排气口；一装载在反应腔内的基底，该基底上形成有一催化剂层。通过该进气口向反应腔中通入碳源气，在一定温度下即可在催化剂层上生长碳纳米管。但是，使用该碳纳米管制备装置及方法制备碳纳米管，无外加作用力引导，碳纳米管在自由状态下生长，其取向较混乱，导致碳纳米管的准直性较差。
有鉴在此，有必要提供一种碳纳米管制备装置及方法，其可制备高准直性碳纳米管。
【发明内容】
以下将以实施例说明一种碳纳米管制备装置及方法，其可制备高准直性碳纳米管。
一种碳纳米管制备装置，其包括：一反应腔以及一个基底，该反应腔包括一对相对设置的进气口与排气口，该进气口与排气口分别设在该反应腔的底部与顶部，该进气口用于通入碳源气，该基底设置在该反应腔内；一电极，其位于该反应腔内，且该电极与该基底平行，用于产生一垂直于该电极的电场，该电场方向平行于碳源气气流方向；以及至少一线圈，其用于产生一垂直于该电极的磁场，且该磁场的方向与所述电场的方向一致。
以及，一种碳纳米管制备方法，包括以下步骤：提供一反应腔，其包括一对相对设置在该反应腔底部与顶部的进气口与排气口，一位于该反应腔内的电极，以及至少一线圈；提供一具有催化剂层的基底，将其装载在所述电极上；在该电极上施加一直流偏压，产生一垂直于该电极的电场；在该线圈上施加一电流，产生一垂直于该电极的磁场；向该反应腔内通入一碳源气，该碳源气气流方向平行于该电场方向，在该电场与磁场双重引导作用下进行化学气相沉积生长碳纳米管，该碳纳米管取向于该电场与磁场方向。
与现有技术相比，所述碳纳米管制备装置及方法，通过设置至少一线圈，在该线圈上施加一电流，可产生一垂直于该电极的磁场；且通过设置一电极，在该电极上施加一直流偏压，可产生一垂直于该电极的电场；碳纳米管在该电场与磁场中生长，在电场力及磁场力的双重引导作用下，可实现其高准直性制备。
【附图说明】
图1是本发明实施例碳纳米管制备装置示意图。
图2是本发明实施例碳纳米管制备装置使用状态示意图。
【具体实施方式】
下面将结合附图对本发明实施例作进一步的详细说明。
请参见图1，本发明实施例所提供的碳纳米管制备装置100，其包括一反应腔110，一电极120，以及一对相对设置的线圈130。
该反应腔110包括一进气口112，一排气口114，一支撑体116，以及一对固定装置118。其中，该反应腔110的材质选用铁、铝、铜及不锈钢等。在碳纳米管制备过程中，一般将该反应腔110接地。该进气口112设在反应腔110的底部，可用于向反应腔110内通入碳纳米管生长用碳源气。该排气口114设在反应腔110的顶部，其与进气口112相配合，可使碳源气气流方向垂直于该电极120。该支撑体116的一端固定在该反应腔110的内壁上，另一端用于支撑该电极120。该对固定装置118为绝缘体，其设在反应腔110的内侧壁上，用于固定该对线圈130。
该电极120用于产生一垂直于其自身的电场。优选的，该电极120为网格电极，其包括多个导流孔，该多个导流孔可允许碳源气通过，进一步使碳源气气流方向垂直于该电极120。该电极120与一电压源122的一端形成电连接，该电压源122的另一端接地。可以理解，反应腔110可作为相对于该电极120的另一电极，在碳纳米管制备过程中将该反应腔110接地使其处于零电压状态，再通过电压源122在电极120上施加一直流正偏压或负偏压，则可产生一垂直于该电极120的电场。本实施例中，在电极120上施加一直流正偏压，产生一垂直于该电极120且指向反应腔110顶部的电场。
该对相对设置的线圈130用于产生一垂直于该电极120的磁场。该对线圈130与一电流源132形成电连接，其轴线134垂直于该电极120。在碳纳米管制备过程中，可通过该电流源132给该对线圈130施加一电流，使其产生一垂直于电极120的磁场。本实施例中，应确保该磁场的方向与所述电场的方向一致，即，垂直于电极120且指向反应腔110的顶部。当然，可以理解的是，也可采用两个以上的线圈，优选的，该两个以上之线圈均匀排布在反应腔内侧或外侧；或者只用一个线圈，将其绕在该反应腔110的外侧壁上，或固定在该反应腔110的内侧壁上。所述线圈被施加一电流能产生垂直于该电极120的磁场均可。
请参见图2，下面将具体描述一利用上述碳纳米管制备装置100进行碳纳米管制备的操作过程。
(1)提供一具有催化剂层142的基底140，将该基底140置于所述电极120上。当然，也可直接在电极120上沉积一催化剂层142。优选的，该基底140包括多个通孔，催化剂层142位于基底140上无通孔的部分，该多个通孔可允许碳源气通过，使得气流方向与该电极120垂直。该催化剂层142用作碳纳米管生长的触媒层，其材质可选用铁、钴、镍及其合金。
(2)将该反应腔110接地，并通过电压源122在电极120上施加一直流偏压，以在反应腔110内产生一电场。本实施例中，将反应腔110作为相对于电极120的另一电极，将该反应腔110接地使其处于零电压状态，再在电极120上施加一正偏压，使得在催化剂层142的位置处产生一垂直于电极120且指向反应腔110顶部的电场。优选的，该电场的电场强度为500～3000千伏特/米(KV/m)。
(3)通过电流源132在该对线圈130上施加一电流，产生一垂直于电极120的磁场。应确保该磁场在催化剂层142位置处的方向与所述电场的方向一致，且其磁感应强度B不小于10-5特斯拉(T)；优选为10-5T≤B≤1T。
(4)通过进气口112向反应腔110内通入碳源气，采用化学气相沉积法生长碳纳米管。在电场与磁场的双重引导作用下，催化剂层142位置处生长的碳纳米管将取向于电场与磁场方向，进而可实现碳纳米管高准直性生长。
本发明实施例所述的碳纳米管制备装置100，通过设置一对相对的线圈130，在碳纳米管制备过程中在该对线圈130上施加一电流，可产生一垂直于电极120且指向反应腔110顶部的磁场；且通过设置一电极120，在碳纳米管制备过程中在该电极120上施加一直流正偏压，可产生一垂直于该电极120且指向反应腔110顶部的电场。碳纳米管在该电场与磁场中生长，在电场力及磁场力的双重引导作用下，可实现碳纳米管的高准直性生长。另外，该碳纳米管制备装置100通过设置一对相对的进气口112与排气口114在反应腔110的底部与顶部，并采用一具有多个导流孔的电极120，以及在碳纳米管制备过程中采用一具有多个通孔的基底140，使得气流方向与该电极120垂直，即与电场及磁场方向平行，其更加有利于碳纳米管的高准直性生长。
另外，本发明实施例所涉及的“垂直”与“平行”，包括在垂直与平行方向上有小角度偏移的情形，其可达成本发明的技术效果均可；而且，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，如适当变更线圈的设置方式及数量等，只要其不偏离本发明的技术效果均可；以上两种情况都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (12)

1.一种碳纳米管制备装置，其包括：一反应腔以及一个基底，该反应腔包括一对相对设置的进气口与排气口，其分别设在该反应腔的底部与顶部，该进气口用于通入碳源气，该基底设置在该反应腔内；其特征在于，该碳纳米管制备装置还包括一电极，其位于该反应腔内，且该电极与该基底平行，用于产生一垂直于该电极的电场，该电场方向平行于碳源气气流方向；以及至少一线圈，其用于产生一垂直于该电极的磁场，且该磁场的方向与所述电场的方向一致。
2.如权利要求1所述的碳纳米管制备装置，其特征在于，所述反应腔的材质选自铁、铝、铜及不锈钢。
3.如权利要求1所述的碳纳米管制备装置，其特征在于，所述电极为一网格电极，其包括多个导流孔。
4.如权利要求1所述的碳纳米管制备装置，其特征在于，所述反应腔还包括一支撑体，该支撑体的一端固定在该反应腔的侧壁上，另一端用于支撑该电极。
5.如权利要求1所述的碳纳米管制备装置，其特征在于，所述反应腔还包括至少一固定装置，其设在该反应腔壁上，用于固定所述线圈。
6.如权利要求1所述的碳纳米管制备装置，其特征在于，进一步包括一电压源，其与所述电极电连接，用于给该电极施加一直流偏压。
7.如权利要求1所述的碳纳米管制备装置，其特征在于，进一步包括一电流源，其与所述线圈电连接，用于给该线圈施加一电流。
8.如权利要求1所述的碳纳米管制备装置，其特征在于，所述线圈围绕固定在该反应腔的内侧壁或外侧壁上。
9.如权利要求1所述的碳纳米管制备装置，其特征在于，所述线圈均匀排布在该反应腔的内侧或外侧。
10.一种碳纳米管制备方法，包括以下步骤：
提供一反应腔，其包括一对相对设置在该反应腔底部与顶部的进气口与排气口，一位于该反应腔内的电极，以及至少一线圈；
提供一具有催化剂层的基底，将其装载在所述电极上；
在该电极上施加一直流偏压，以产生一垂直于该电极的电场；
在该线圈上施加一电流，以产生一垂直于该电极的磁场；
通过进气口向该反应腔内通入一碳源气，该碳源气气流方向平行于该电场方向，在该电场与磁场双重引导作用下进行化学气相沉积生长碳纳米管，该碳纳米管沿该电场与磁场方向生长。
11.如权利要求10所述的碳纳米管制备方法，其特征在于，所述电场的电场强度大小范围为500～3000千伏特/米。
12.如权利要求10所述的碳纳米管制备方法，其特征在于，所述磁场在该催化剂层位置的磁感应强度B大小范围为：10-5≤B≤1特斯拉。
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