CN105060277A - 一种碳纳米管的制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纳米管的制备工艺，以二甲苯为碳源，利用化学气相沉积方法制备碳纳米管阵列，包括：制备催化剂和碳源的混合溶液—加热气化—控制气化流量—抽真空—加热—通保护气。二茂铁为10g，二甲苯溶液150ml，磁力搅拌5min。加热气化温度为200-220度，气化流量为0.6-0.8ml/min。真空度为2-5Pa，加热温度为800-900度，保护气为氢气和氮气。该发明碳纳米管生长速度快，质量稳定，工艺参数便于控制，且制备得到的碳纳米管具有很好的抗氧化能力。

Description

一种碳纳米管的制备工艺

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管的制备工艺。

背景技术

二十世纪九十年代初.KratschmerI等采用石墨电弧法第一次制取了C60，他们通过对其结构进行研究，发现它为碳元素的另一种同素异构晶体。伴随着科技的不断发展，1991年，日本NEC公司基础研究实验室电子显微镜专家lijimal在高分辨率透射电子显微镜下观察C60结构时，发现了直径4nm-30nm，长达,am量级，管壁呈石墨结构的多层碳分子，这就是今天被广泛关注的碳纳米管，然而事实是lijima当时所发现的不是单壁碳纳米管，而是最小层数为2的多壁碳纳米管。1993年，Iijima课题组和IBM的研究小组分别成功地合成单层的碳纳米管。某种意义上讲，真正意义上的碳纳术管是单壁碳纳米管。由于单壁碳纳米管独特的结构，极高的力学性能，独特的电性质和化学稳定性，引起了世界范围内的许多科学家包括物理学家、化学家和材料学家的极大兴趣，掀起了一殷碳纳米管研究浪潮。近些年来，随着碳纳米管制各工艺的的不断发展，大规模的制备碳纳米管已经成为现实，碳纳米管潜在的应用价值日益受到关注，从目前的应用研究情况来看.碳纳米管材料有望在不久的将来实现规模性的工业应用，为人类生产生活带来方便。

碱纳米管和石墨同样具有良好的导电性能是因为石墨层片的碳原子之间是sp2杂化，每个碳原子有一个未成对电子位于垂直于层片的二轨道上。石墨层片卷曲形成管状的直径和螺旋角是其导电性的决定因素，碳纳米管导电性介于导体和半导体之间。随着螺旋矢量的不同，碳纳米管的能隙宽度可以从零变化到可以和硅的能隙宽度相同。世界上还找不到任何一种物质人们在调制它的导电性能时能够做到如此的随心所欲。碳纳米管的直径一般在几个纳米到几十纳米，长度大约在几个微米甚至更长，单壁碳纳米管的直径仅为约lnm，电子在其中的运动具有量子行为。实际上，一部分直径较小的多壁碳纳米管(大约25nm)也同样表现出量子传输的特性。碳纳米管的管壁上常常含有成对的五边形和七边形，这些缺陷的存在又会产生新的导电行为，因此每一处缺陷都可以看作是一个由很少数目的碳原子(几十个)组成的纳米装置。碳纳米管之间的异质结和“T"形结可以看作是金属与金属，或金属与半导体之间的连接。

通常情况下，随着直径和螺旋度的不同，单壁碳纳米管可以具有金属性(即导电能力很强)，也可以具有半导体性：当n＝小，碳纳米管呈金属性，而m＝0、n＝3q(q为整数)时为窄带半导体管，其它类型的均为宽带半导体管，其禁带宽度和半径大致呈反比关系。R.A.Jiahi等对单壁碳纳米管的的电阻进行了研究，采用4点测法直接测量单根管束的电阻率。同时采用4点法测量压成薄片的单壁碳纳米管。

此外，由于碳管的内径可以小至纳米量级，使其电子能带结构比较特殊，波矢被限定于轴向，在小直径的碳纳米管中量子效应尤为明显，故可作为量子管使电子能无阻挡地贯穿，实验中己经发现单壁碳纳米管是真正的量子导线。

碳纳米管具有场发射效应，概括来说：场发射效应是指在足够高的电场作用下，费米面附近的电子克服势垒而成为自由电子的现象。与传统的热发射源热阴极相比，场发射电子源冷阴极具有电子束流高、初始能量离散小(色差小)、工作稳定性高、寿命长等特点，广泛应用于扫描隧道显微镜(STM)和新型电子显微镜及微波放大器中。虽然人们广泛地研究了各种材料的场发射特性，但是尚未建立一个完善的场发射理论，尤其是适用于半导体及纳米材料的理论，目前比较成熟的依然是金属的场发射理论。

研究结果表明：碳纳米管具有超导性，Kasumov等人采用特殊的技术让单壁管(束)生长在两个超导金属垫片的狭缝间，当温度低于1K时出现了超导现象。Tang等研究了嵌入沸石基体中的单壁纳米碳管的磁特性和迁移性，发现在低于20K的温度下，4A的碳纳米管显示了表现为各向异性的迈斯纳效应。另外，ServiceRobert通过理论计算认为，用富勒烯填充碳纳米管可以产生非常高的超导温度，甚至可达室温。此外，场电子发射材料在真空微电子器件的制备过程中也有很重要的应用，例如微波放大器等。近些年来针对场发射材料方面的研究已经成为微电子材料研究中的一个热点领域，随着场发射材料技术的不断发展，人们自然想到使用一些宽带隙材料作为场电子发射材料，如金刚石、类金刚石、立方氮化硼、氮化铝、碳化硅等一系列宽带隙半导体薄膜，主要是因为这些材料具备：(1)良好的化学与热稳定性；(2)高熔点；(3)高热导率；(4)高击穿电压；(5)大的载流子迁移率，尤其是具有极小的电子亲和势，甚至是负的电子亲和势，这在很大程度上降低了场发射的电压。另外，纳米体系中电子还具有独特的输运功能，因此，这种场发射材料将有着极为广阔的发展潜力及应用前景。早期场发射材料多采用金属尖端作为场发射材料，金属尖端作为场发射材料的优点在于发射机理较清楚，并且工艺较成熟，但由于金属材料本身场发射阈值电压较高，大大限制了金属材料的应用，因此金属材料面临着被淘汰的局面。当然，金属场发射阵列(FEA)其发射特性较稳定，但金属场发射制备技术难度比较大，工艺也相对较复杂。近些年来，纳米场发射材料逐步引起了人们的注意，人们对碳纳米管的兴趣来源于其在场发射方面潜在的优异表现。碳纳米管较之于金属有着更稳定的场发射特性，而且单根多壁碳纳米管其发射电流甚至达到了0.1mA的量级，一些根据其发射原理的平板显示器也已经成型，并且已经转化为成品生产。很显然，纳米场发射材料中，碳纳米管更是倍受关注与重视。

上述特性很大程度上基于单根碳纳米管测量的结果，而实际得到的碳纳米管宏观体，上述性能受到其实际长径比以及碳纳米管之间的相互作用、空间关系等因素的影响而并未完全体现出如此优异的性能。通过CVD法和丝网印刷等方法使得碳纳米管场发射应用方面取得了一定的进展。王成伟，李梦柯，力虎林等用模板法合成高度取向碳纳米管有序阵列膜，但在场发射理论模拟上还有待提高，建立科学的场发射模型进行理论模拟，能更好的将实验中的结果应用在实际生产生活中。

西安交通大学朱长纯、史永胜小组对碳纳米管阴极场发射大面积丝网印刷大量的研究，并且取得了很好的研究成果。他们根据碳纳米管场发射理论制备了新型的碳纳米管阴极印刷浆料。研究表明，制作质量分数约为20％的纯化碳纳米管与4.2％的导电氧化物粘结材料混合形成的印刷浆料，其阴极具有优异的发射均匀特性。用丝网印刷技术制作成的大面积(对于线长度大于12.5cm)阴极，然后经过快速烧结技术及两步后处理工艺，不仅能除掉其上面上的粘结材料而且能达到使碳纳米管很好的与衬底固定，同时令碳纳米管部分直立和充分暴露，进一步可以改善场发射均匀性。

实际研究中常用的制作碳纳米管场致发射冷阴极方法有CVD法。通过CVD法生长的碳纳米管的直径受催化剂颗粒直径的影响，随着催化剂颗粒直径变化而变化。在不存在模板的情况下，生长方向是随机的，但较大电流发射的稳定性差，然而得出电流密度却很大，同样用丝网印刷方法制作的碳纳米管场发射阴极电流发射较稳定，得到的电流也很大，但是电流密度却很低。CVD法作为一种低成本的制备碳纳米管阵列工艺手段，已经被许多科研小组作为构建平板场发射体的方法，碳纳米管阵列制备技术主要是在催化热解法制备碳纳米管的基础上发展起来的，尽管目前对于阵列的生长机理还没有统一的认识，但是阵列生长的关键因素主要体现在催化剂的制备和能量的给入方式。利用电解阳极氧化铝作为模板，在孔道中生长出取向很好的CNTs。国内也有不少研究采用这种方法进一步控制阵列的结构，例如居艳等通过调节阳极氧化参数调控模板的孔结构，进而可控制CNTs在孔道中生长的形貌。一般而言，在无序堆积的催化剂上生长的碳纳米管呈现一定团聚结构，缠绕严重、呈无序排列状态，而在一定条件下，可使碳纳米管呈现有显著取向，实现平行排列，即形成碳纳米管阵列。在碳纳米管阵列中，所有碳纳米管具有较一致的长径比、较好的取向、较高的纯度，这些都有利于发挥其优良的性能，对碳纳米管阵列的研究有着十分重要的意义。碳纳米管的排列是碳纳米管阵列与聚团碳纳米管的最大区别。碳纳米管的弯曲有两种原因：一是由于碳纳米管本身自己的性质，尤其是多壁碳纳米管，本身的缺陷使其在生长过程中形成螺旋管、弯曲管等形状。这种缺陷很难通过一般的牵伸、高温热处理等手段取直；二是因为碳纳米管极大的长径比，在受力的条件下所引起的弯曲。由于碳纳米管形变能力强，一般这种弯曲的曲率半径可以达到100nm--一500nm。这种弯曲一般可以通过某些后处理方法，比如通过聚合物切片、拉伸；电场、磁场、化学键合辅助方法取向；用气体或者液体流动剪切等方法对无序的碳纳米管进行取向。但这种物理方法并不能使曲率半径较小含本征缺陷的碳纳米管变直，且后处理方法通常工艺复杂，难于大批量大规模制备，也会引入其他介质辅助，不容易得到纯度极高的碳纳米管阵列。

发明内容

本发明的目的在于提出一种碳纳米管的制备工艺。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种碳纳米管的制备工艺，以二甲苯为碳源，利用化学气相沉积方法制备碳纳米管阵列，包括：制备催化剂和碳源的混合溶液——加热气化——控制气化流量——抽真空——加热——通保护气，二茂铁为10g，二甲苯溶液150ml，磁力搅拌5min；加热气化温度为200——220度，气化流量为0.6——0.8ml/min，真空度为2——5Pa，加热温度为800——900度，保护气为氢气和氮气。

具体实施方式

实施例1

一种碳纳米管的制备工艺，以二甲苯为碳源，利用化学气相沉积方法制备碳纳米管阵列，包括：制备催化剂和碳源的混合溶液——加热气化——控制气化流量——抽真空——加热——通保护气。二茂铁为10g，二甲苯溶液150ml，磁力搅拌5min。加热气化温度为220度，气化流量为0.8ml/min。真空度为5Pa，加热温度为900度，保护气为氢气和氮气。

实施例2

一种碳纳米管的制备工艺，以二甲苯为碳源，利用化学气相沉积方法制备碳纳米管阵列，包括：制备催化剂和碳源的混合溶液——加热气化——控制气化流量——抽真空——加热——通保护气。二茂铁为15g，二甲苯溶液200ml，磁力搅拌5min，放置1h。加热气化温度为210度，气化流量为0.7ml/min。真空度为5Pa，加热温度为900度，保护气为氢气和氮气，氮气流量为3.0L/min，氢气流量为0.25L/min。

Claims (1)

1.一种碳纳米管的制备工艺，其特征在于：以二甲苯为碳源，利用化学气相沉积方法制备碳纳米管阵列，包括：制备催化剂和碳源的混合溶液——加热气化——控制气化流量——抽真空——加热——通保护气，二茂铁为10g，二甲苯溶液150ml，磁力搅拌5min；加热气化温度为200——220度，气化流量为0.6——0.8ml/min，真空度为2——5Pa，加热温度为800——900度，保护气为氢气和氮气。