[發明專利]單壁碳管的制造方法

無效

• 申請號: 200610091362.1
• 申請日: 2006-06-15
• 公開（公告）號: CN101088915A
• 公開（公告）日: 2007-12-19
• 發明（設計）人: 王威翔;郭正次;洪蔡豪
• 申請（專利權）人: 錸德科技股份有限公司
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;C23C16/26
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司
• 代理人: 余嵐

技術領域

本發明涉及一種催化納米碳管生長的觸媒，且特別涉及一種催化單壁碳管生長的觸媒。

背景技術

自從1991年發現碳管(carbon?nanotube；CNT)以來，已經吸引眾多研究者的注意。這是因其優異的機械性質與可調變的導電性質所致，而且又具備很大的比表面積，使其可應用在氫氣儲存、觸媒支撐物、電化學超級電容器(electrochemical?supercapacitor)、鋰電池的陽極以及電子場發射器的陰極發射源。

其中單壁碳管(single?wall?carbon?nanotubes；SWNT)由于擁有獨特的物理性質，例如優異的熱傳性質，可調變的導電性，極大的深寬比與比表面積等，使其成為工業界競逐的焦點，也因此單壁碳管的合成技術一直是近幾年產學研究的重點。傳統制造單壁納米碳管的方式為電弧放電法(arc?discharging)與激光剝蝕法(laser?ablation)，這兩種方法雖然產物的純度較高，但都屬于高溫制程(超過1200℃)，且產率不高。因此除了生產成本過高外，在應用上的實用性也不高，特別是跟IC制程整合的應用上。

最近幾年，使用化學氣相沉積法(chemical?vapor?deposition；CVD)來制造單壁碳管的方法被廣泛地研究，因為其具有較低溫生長且產率較高的優點。從近幾年的研究成果來看，CVD方法在多壁碳管的合成確實已經得到很好的結果，然而在單壁碳管的合成上，在產率、純度及溫度上皆尚未得到良好的控制，也因此造成了單壁碳管的成本一直居高不下，無法廣泛的應用于工業上。

從目前已揭露的CVD合成單壁碳管的研究結果來看，其單壁碳管產率相當低，且會夾雜著多壁碳管。此外，由于碳管的合成溫度(約在900～1000℃)比電弧法要低上許多，因此也導致了石墨化的程度較低，使得合成的碳管品質大幅降低。況且即便是900℃的合成溫度，也無法與現行的IC制程兼容。雖然有研究機構提出利用緩沖層(buffer?layer)來有效的降低制程溫度到600～700℃，但其單壁碳管產物的純度及產量卻是更低。

推究CVD制程方法合成單壁碳管的困難點在于兩個因素：(1)觸媒的活性，(2)觸媒粒子的細化與分散。現行的觸媒材料皆以過渡金屬為主，包含了Fe，Co，Ni等元素，這些元素在塊材的狀態下溶碳溫度都頗高(超過700℃)，這可以通過合金的調配與觸媒薄膜化的處理來克服。但更困難的是，如何細化及分散觸媒。對于單壁碳管而言，管徑大小(其直徑約在1-3nm間)是由觸媒的顆粒大小來決定，過大的觸媒顆粒便無法催化生產單壁碳管。因此，如何讓觸媒形成非常微細的粒子且不會再聚集在一起，乃是最重要的課題。

發明內容

因此，本發明的目的之一是提供一種以化學氣相沉積法合成單壁碳管的觸媒，以生產高純度的單壁碳管。

本發明的另一目的是提供一種觸媒的制造方法，以制造合成單壁碳管所需的觸媒。

本發明的又一目的是提供一種單壁碳管的制造方法，它是使用納米化的觸媒來催化單壁碳管的合成反應。

根據本發明的上述目的，提出一種催化單壁碳管生成反應的觸媒，其基本上由催化碳管生長的過渡金屬、防止觸媒顆粒聚集的前驅金屬的金屬氧化物以及貴重金屬所組成。貴重金屬的金屬氧化物在還原時，會產生類似爆炸的效應來分散觸媒顆粒。

依照本發明一較佳實施例，上述過渡金屬的含量約為20-90重量百分比，前驅金屬的金屬氧化物的含量約為5-30重量百分比，且貴重金屬的含量約為5-60重量百分比。

依照本發明又一較佳實施例，上述過渡金屬例如可為鐵、鈷或鎳。

依照本發明另一較佳實施例，上述前驅金屬的金屬氧化物例如可為氧化鉻、氧化鉭、氧化釩或氧化鈦。

依照本發明又一較佳實施例，上述貴重金屬例如可為鉑、銀、金或鈀。

根據本發明的目的，提出一種用來催化單壁碳管生成反應的觸媒的制造方法。先在基材上沉積金屬氧化薄膜。金屬氧化薄膜的金屬成分含有一過渡金屬、一前驅金屬以及一貴重金屬。然后，再通入還原氣體，還原上述三種金屬的金屬氧化物，以形成上述的觸媒。上述過渡金屬與貴重金屬的金屬氧化物會被完全還原至金屬元素態，而前驅金屬的金屬氧化物僅會被部分還原。

依照本發明一較佳實施例，上述金屬氧化薄膜的氧含量約為20-70摩爾百分比。

依照本發明一較佳實施例，上述過渡金屬例如可為鐵、鈷或鎳，其為催化碳管生長的觸媒。

依照本發明另一較佳實施例，上述前驅金屬例如可為鉻、鉭、釩或鈦。前驅金屬的金屬氧化物可防止觸媒顆粒聚集在一起。