CN102351164A - 铜基体上直接生长竖直状纳米碳纤维阵列的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铜基体上直接生长竖直状纳米碳纤维阵列的方法，属于碳纳米材料的制备技术。该方法过程包括：配制不同浓度的Ni/Y催化剂溶液，对铜片进行氩气等离子体预处理，将铜片在以上溶液中浸渍、真空干燥，然后将铜片放在反应炉中通入乙炔、氩气和氢气的混合气体，进行催化裂解反应，在铜片表面得到竖直状纳米碳纤维阵列。本发明的优点在于，采用电子工业中常用的Cu材为基体，通过控制基体的预处理方式、催化剂的掺杂及生长工艺等，在不添加任何扩散阻断层的情况下直接在铜基体上生长出了质量好、纯度高和形貌良好的得竖直状纳米碳纤维阵列，而且制备过程和设备简单，易于实现和推广。

Description

铜基体上直接生长竖直状纳米碳纤维阵列的方法
技术领域
本发明涉及一种铜基体上直接生长竖直状纳米碳纤维阵列的方法，属于碳纳米材料的制备技术。
背景技术
碳纳米纤维(carbon nano-fibers，CNFs)是直径介于碳纳米管以及普通碳纤维之间的准一维碳材料，其具有较高的强度和杨氏模量，良好的导电、导热及热稳定性和较好的表面尺寸效应等，因而受到人们极大的关注。
目前，制备纳米碳纤维的方法主要有：基体法、喷淋法和流动催化法等。垂直状的纳米碳纤维一般采用基体法来生长，一般是用石墨或陶瓷等非金属作为基体，在基体上分散纳米级催化颗粒的“种粒”，在高温下通入烃类气体热解，在基片上生长得到垂直状得纳米碳纤维。在金属基体上生长纳米碳纤维，由于金属基体不同于陶瓷等不导电基体，大部分金属的活性较高，在高温下与催化剂容易发生反应，从而影响其活性，制约CNFs的生长，因此控制催化剂与基体的反应，保持催化剂活性是在金属基体上制备CNFs的关键。目前常采用的方法主要是在导电基体与催化剂之间添加Al203等中间薄层阻断催化剂与金属基体的扩散等反应。对于许多应用，如显示器、电池电极、芯片互联和电子封装等，要求材料具有很高的导电和导热性能，这就需要CNFs与导电基体(金属等)进行连接。而且，降低金属基体与CNFs之间的接触电阻也是纳米电子器件设计面临的主要挑战之一。
为了降低连接CNFs和金属基体的接触电阻，一个最明显有效的方法就是在金属基体上直接生长CNFs，特别是在铜基体上直接生长CNFs。
发明内容
本发明目的在于提供一种铜基体上直接生长竖直状纳米碳纤维阵列的方法，该方法具有过程简单，制备的垂直状纳米碳纤维阵列具有质量和纯度高等优点。
本发明是通过以下技术方案实现的，一种铜基体上直接生长竖直状纳米碳纤维阵列的方法，其特征在于包括以下过程：
1)将铜基体进行抛光后，分别用去离子水、丙酮和乙醇超声清洗，然后在温度25-30℃下干燥，并进行氩气等离子处理0.5-3min；
2)按镍与钇的摩尔比为(1-5)∶1，将硝酸镍和硝酸钇加入去离子水中，配制0.01-0.05mol/L硝酸镍和硝酸钇的溶液；
3)将步骤1)处理的铜基体置入步骤2)的溶液中，浸渍20-40秒，经真空干燥箱中在80-100℃下干燥1-4小时，将其放入石英舟中，在石英反应管的恒温区，在氩气保护下以升温速率10℃/min升至温度200-400℃，恒温煅烧1-4小时，得到了负载有催化剂的铜基体；
4)将步骤3)所制得的负载有催化剂的铜基体铺展在石英舟中，将石英舟置于石英反应管恒温区，在氩气保护下，以升温速率10℃/min石英反应管升至温度500℃-750℃后，以流速为200-350mL/min向石英反应管通入氩气、氢气和乙炔气的混合气进行催化裂解反应0.2h-1h，其中，氩气、氢气和乙炔气的体积比为(100-300)∶(20-150)∶(5-100)，然后在氩气氛围下将炉温降至室温，得到铜基体上生长的竖直状纳米碳纤维阵列。
本发明具有以下优点：本发明具有以下优点：采用电子工业中常用的Cu材为基体，通过控制基体的预处理方式、催化剂的掺杂及生长工艺等，在不添加任何扩散阻断层的情况下直接在铜基体上生长出了质量好、纯度高和形貌良好的得竖直状纳米碳纤维阵列，而且制备过程和设备简单，易于实现和推广。
附图说明
图1为采用本发明实施例一制得的垂直状纳米碳纤维的SEM照片
图2为图1的局部放大SEM照片
具体实施方式
实施例一
将抛光的直径12mm，厚度3mm铜片分别在蒸馏水、丙酮和无水乙醇中超声清洗20分钟，然后将清洗干燥的铜片进行一分钟氩气等离子处理，分别称取5.8g六水硝酸镍和2.52g六水硝酸钇，溶入100mL去离子水中，配制成0.2mol/L的溶液，再将铜片在此溶液中浸渍20秒，然后置于真空干燥箱中100℃下真空干燥一个小时，在铜片上得到了催化剂的前驱体；将负载有催化剂前驱体的铜片置于直径60mm石英管反应炉的中部恒温区域，通入氩气保护，以10℃/min使温度升高到400℃，在此温度下保持一个小时，使铜片表面的硝酸盐煅烧完全，以10℃/min再将温度升高到750℃，然后通入乙炔、氩气和氢气的混合气体，三种气体的流量分别问50mL/min、150mL/min、50mL/min，在750℃下生长1h，在铜片上生长得到了垂直状得纳米碳纤维。
实施例二
将抛光的直径12mm，厚度3mm铜片分别在蒸馏水、丙酮和无水乙醇中超声清洗20分钟，然后将清洗干燥的铜片进行三分钟氩气等离子处理，分别称取4.35g六水硝酸镍和1.89g六水硝酸钇，溶入50mL去离子水中，配制成0.3mol/L的溶液，再将铜片在此溶液中浸渍20秒，然后置于真空干燥箱中80℃下真空干燥一个小时，在铜片上得到了催化剂的前驱体；将负载有催化剂前驱体的铜片置于直径60mm石英管反应炉的中部恒温区域，通入氩气保护，以10℃/min使温度升高到300℃，在此温度下保持一个小时，使铜片表面的硝酸盐煅烧完全，以10℃/min再将温度升高到550℃，然后通入乙炔、氩气和氢气的混合气体，三种气体的流量分别问60mL/min、180mL/min、60mL/min，在550℃下生长30min，在铜片上生长得到垂直状纳米碳纤维。
实施例三
将抛光的直径12mm，厚度3mm铜片分别在蒸馏水、丙酮和无水乙醇中超声清洗20分钟，然后将清洗干燥的铜片进行两分钟氩气等离子处理，分别称取2.9g六水硝酸镍和1.26g六水硝酸钇，溶入100mL去离子水中，配制成0.2mol/L的溶液，再将铜片在此溶液中浸渍20秒，然后置于真空干燥箱中100℃下真空干燥一个小时，在铜片上得到了催化剂的前驱体；将负载有催化剂前驱体的铜片置于直径60mm石英管反应炉的中部恒温区域，通入氩气保护，以10℃/min使温度升高到400℃，在此温度下保持一个小时，使铜片表面的硝酸盐煅烧完全，以10℃/min再将温度升高到650℃，然后通入乙炔、氩气和氢气的混合气体，三种气体的流量分别问30mL/min、120mL/min、80mL/min，在650℃下生长30min，在铜片上生长得到垂直状纳米碳纤维。
实施例四
将抛光的直径12mm，厚度3mm铜片分别在蒸馏水、丙酮和无水乙醇中超声清洗20分钟，然后将清洗干燥的铜片进行三分钟氩气等离子处理，分别称取1.45g六水硝酸镍和0.63g六水硝酸钇，溶入50mL去离子水中，配制成0.1mol/L的溶液，再将铜片在此溶液中浸渍20秒，然后置于真空干燥箱中80℃下真空干燥一个小时，在铜片上得到了催化剂的前驱体；将负载有催化剂前驱体的铜片置于直径60mm石英管反应炉的中部恒温区域，通入氩气保护，以10℃/min使温度升高到300℃，在此温度下保持一个小时，使铜片表面的硝酸盐煅烧完全，以10℃/min再将温度升高到700℃，然后通入乙炔、氩气和氢气的混合气体，三种气体的流量分别问60mL/min、200mL/min、70mL/min，在700℃下生长20min，在铜片上生长得到垂直状纳米碳纤维。
实施例五
将抛光的直径12mm，厚度3mm铜片分别在蒸馏水、丙酮和无水乙醇中超声清洗20分钟，然后将清洗干燥的铜片进行三分钟氩气等离子处理，分别称取7.25g六水硝酸镍和3.14g六水硝酸钇，溶入50mL去离子水中，配制成0.5mol/L的溶液，再将铜片在此溶液中浸渍20秒，然后置于真空干燥箱中80℃下真空干燥一个小时，在铜片上得到了催化剂的前驱体；将负载有催化剂前驱体的铜片置于直径60mm石英管反应炉的中部恒温区域，通入氩气保护，以10℃/min使温度升高到300℃，在此温度下保持一个小时，使铜片表面的硝酸盐煅烧完全，以10℃/min再将温度升高到700℃，然后通入乙炔、氩气和氢气的混合气体，三种气体的流量分别问40mL/min、180mL/min、80mL/min，在700℃下生长40min，在铜片上生长得到垂直状纳米碳纤维。

Claims (1)

1.一种铜基体上直接生长竖直状纳米碳纤维阵列的方法，其特征在于包括以下过程：
1)将铜基体进行抛光后，分别用去离子水、丙酮和乙醇超声清洗，然后在温度25-30℃下干燥，并进行氩气等离子处理0.5-3min；
2)按镍与钇的摩尔比为(1-5)∶1，将硝酸镍和硝酸钇加入去离子水中，配制0.01-0.05mol/L硝酸镍和硝酸钇的溶液；
3)将步骤1)处理的铜基体置入步骤2)的溶液中，浸渍20-40秒，经真空干燥箱中在80-100℃下干燥1-4小时，将其放入石英舟中，在石英反应管的恒温区，在氩气保护下以升温速率10℃/min升至温度200-400℃，恒温煅烧1-4小时，得到了负载有催化剂的铜基体；
4)将步骤3)所制得的负载有催化剂的铜基体铺展在石英舟中，将石英舟置于石英反应管恒温区，在氩气保护下，以升温速率10℃/min石英反应管升至温度500℃-750℃后，以流速为200-350mL/min向石英反应管通入氩气、氢气和乙炔气的混合气进行催化裂解反应0.2h-1h，其中，氩气、氢气和乙炔气的体积比为(100-300)∶(20-150)∶(5-100)，然后在氩气氛围下将炉温降至室温，得到铜基体上生长的竖直状纳米碳纤维阵列。
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