[發(fā)明專利]單壁和多壁碳納米管混合結(jié)構(gòu)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200680051004.6
• 申請日: 2006-11-16
• 公開（公告）號: CN101365647A
• 公開（公告）日: 2009-02-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: J·馬;A·費(fèi)希爾;R·霍奇
• 申請（專利權(quán)）人: 海珀里昂催化國際有限公司
• 主分類號: B82B1/00
• 分類號: B82B1/00;B82B3/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 李進(jìn);林森

相關(guān)申請

本申請要求2005年11月16日提交的美國臨時申請第60/737,826號的權(quán)益和優(yōu)選權(quán)，該臨時申請通過引用結(jié)合入本文。

發(fā)明背景

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及含有單壁和多壁碳納米管的碳納米管結(jié)構(gòu)，以及制備所述結(jié)構(gòu)的方法。這些碳納米管結(jié)構(gòu)包括但不限于肉眼可見的二維和三維碳納米管結(jié)構(gòu)，例如裝配體(assemblages)、席墊(mats)、塞子(plugs)、網(wǎng)狀物(networks)、堅(jiān)硬多孔結(jié)構(gòu)、擠出物(extrudates)等。本發(fā)明的碳納米管結(jié)構(gòu)有多種用途，包括但不限于：用于過濾、吸附、層析的多孔介質(zhì)；超級電容器、電池和燃料電池的電極和集電器；催化劑載體，(包括電催化)，等。

相關(guān)技術(shù)描述

碳納米管

本發(fā)明屬于一般稱為納米管的亞微石墨碳原纖領(lǐng)域。碳原纖是直徑小于1.0μ、優(yōu)選小于0.5μ且更優(yōu)選小于0.2μ的蠕蟲狀碳沉積物。碳納米管可以是多壁的(即，具有超過一個的大致平行于納米管軸的石墨烯層(graphene?layer)或是單壁的(即，僅具有一個平行于納米管軸的石墨烯層)。下文還描述了其他類型的碳納米管。

可以按本申請教導(dǎo)處理的碳納米管可區(qū)別于商業(yè)途徑獲得的連續(xù)碳纖維。與這些具有至少10⁴和通常10⁶或更大長徑比(L/D)的纖維不同，碳原纖具有按需要大的、但不可避免地有限的長徑比。連續(xù)纖維的直徑也遠(yuǎn)大于原纖的直徑，總是大于>1.0μ且通常為5μ至7μ。

碳納米管在物理和化學(xué)上不同于可商業(yè)途徑獲得的作為強(qiáng)化材料的連續(xù)碳纖維，也不同于其他形式的碳例如標(biāo)準(zhǔn)石墨和炭黑。標(biāo)準(zhǔn)石墨因其結(jié)構(gòu)而可以經(jīng)過氧化至幾乎完全飽和。而炭黑是無定形碳，通常為具有石墨烯結(jié)構(gòu)、碳層圍繞雜亂核的球狀粒子形式。這些差異導(dǎo)致難以通過石墨和炭黑來預(yù)測碳納米管的化學(xué)。

碳納米管以多種形式存在，并已經(jīng)通過各種含碳?xì)怏w在金屬表面的催化分解而被制備。大概自從有了電子顯微技術(shù)后，就已經(jīng)觀察到了這種蠕蟲狀碳沉積物。(Baker和Harris，Chemistry?and?Physics?ofCarbon.Walker和Thrower編，14卷，1978，p.83；Rodriguez，N.，J.Mater.Research.8卷，p.3233(1993))。

1976年，Endo等闡明了這種碳原纖生長的基本機(jī)理(參見Oberlin.A.和Endo.M..J.of?Crystal?Growth.32卷(1976)，pp.335-349)，其通過引用結(jié)合入本文。它們被發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生自金屬催化劑粒子，該粒子在含烴氣體存在下變成碳過飽和的。擠出圓柱狀的有序石墨核心，根據(jù)Endo等，其立即被熱解沉積石墨外層所包裹。這些帶有熱解涂層的原纖的直徑通常超過0.1μ，更通常為0.2μ至0.5μ。

1983年，Tennent(美國專利第4,663,230號，通過引用結(jié)合入本文)描述了不含連續(xù)熱碳涂層并具有多個大致平行于原纖軸的石墨外層的碳原纖。這樣，它們的特征為，它們的c軸(即垂直于彎曲石墨層的切線的軸)大致垂直于其圓柱軸。它們一般具有不超過0.1μ的直徑和至少5的長徑比。按需要，它們基本不含連續(xù)熱碳涂層，即產(chǎn)生自用以制備它們的氣體進(jìn)料的熱裂解的熱解沉積的碳。因此，Tennent的發(fā)明提供了通常為35至700(0.0035μ至0.070μ)的更小直徑的原纖，以及有序的、“如長成的”石墨表面。還產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)較不完美但也無熱解碳外層的原纖碳。

通過引用結(jié)合入本文的Tennent等的美國專利第5,171,560號，描述了不含熱涂層的碳原纖，該碳原纖還具有大致平行于原纖軸的石墨層以使所述層在所述原纖軸上的投影延伸至少兩個原纖直徑的距離。通常，這樣的原纖是直徑基本恒定、大體上圓柱狀的石墨納米管，并包含其c軸大致垂直于其圓柱軸的圓柱狀石墨片。它們基本不含熱解沉淀的碳，具有小于0.1μ的直徑和大于5的長徑比。這些原纖可以通過本發(fā)明方法氧化。