[發明專利]化學氣相沉積合成無金屬催化劑自組生長碳納米管的方法

無效

• 申請號: 200810031235.1
• 申請日: 2008-05-07
• 公開（公告）號: CN101270470A
• 公開（公告）日: 2008-09-24
• 發明（設計）人: 唐元洪;李曉川;林良武;徐海峰;黃伯云
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C23C16/26
• 分類號: C23C16/26;C23C16/52
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所
• 代理人: 顏勇

技術領域

本發明涉及一種在無金屬催化劑的條件下化學氣相沉積合成自組生長的碳納米管的方法。

背景技術

碳納米管作為納米材料中最具潛力的材料之一，其制備工藝的研究受到廣泛關注。目前，碳納米管的制備方法主要有電弧放電法、激光蒸發法和催化劑輔助化學氣相沉積法等，其中，電弧放電法制備碳納米管的特點為生長快速，工藝參數較易控制，但生長溫度高，設備復雜，產物雜質多，產率低且難純化，不適合批量生產；激光蒸發法制備的產物質量高，但產量低；催化劑輔助化學氣相沉積法是利用碳氫化合物裂解產生的自由碳離子，在催化劑一端析出生成碳納米管的一種方法，該法相對其它方法具有反應過程易于控制、適用性強、制備方法簡便、產品純度高、可規模化生產等優點，被廣泛應用于制備碳納米管。但是，由于產物中殘留催化劑顆粒，使碳納米管的性能及應用受到很大影響。

碳納米管可以應用于場發射器件、電容器、晶體管、儲氫材料、復合材料等眾多領域，但大部分應用需要采用純凈的碳納米管才能使其性能達到最優狀態。對產物進行純化是當前去除碳納米管中殘留催化劑顆粒，獲得純凈碳納米管的主要手段，然而純化過程提高了生產成本，收率低，同時可能導致碳納米管的結構受損或引入新的雜質；利用無催化劑制備工藝是另一種獲得純凈碳納米管的途徑，如：無催化電弧放電法、無催化火焰法、熱等離子濺射等技術，但是電弧放電法制備碳納米管的特點為生長快速，工藝參數較易控制，但生長溫度高，設備復雜，產物雜質多，產率低且難純化，不適合批量生產；火焰法制備產物含有大量碳粒、煙粒和納米碳纖維等副產物，難純化；熱等離子濺射技術設備復雜，生產成本高，不適合產業化生產。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種合成碳納米管的方法，在無金屬催化劑條件下，采用化學氣相沉積方法直接獲得自組生長碳納米管。

本發明為解決上述技術問題所采用的技術方案是：

一種化學氣相沉積合成無金屬催化劑自組生長碳納米管的方法，其特征在于：將碳源氣體和載氣的混合氣通入溫度為940℃～980℃的環境中，碳源氣體的分解產物在650℃～750℃的襯底上沉積形成自組生長碳納米管。

所述的碳源氣體為氣態含碳化合物。

所述載氣為氮氣、氫氣、氬氣之一種或其2種或多種的混合氣體。

提供加熱和分解反應環境的設備為高溫爐。

所述的襯底位于所述高溫爐內的出氣端。

在對所述高溫爐內通入混合氣之前，將所述高溫爐抽真空，再在載氣的保護下升溫至940℃～980℃。

所述的高溫爐為臥式真空管式高溫爐。

所述的襯底為剛玉、石英片、硅片或氧化鋁襯底。

所述碳源氣體和載氣的流量比1∶2～1∶4。

在所述的940℃～980℃溫度下保溫1～5小時。

本發明的有益效果有：

由于不使用催化劑，該工藝制備的碳納米管不含金屬催化劑顆粒，產物純度高(80％～90％)，制備成本低，適用性強，但相對催化輔助氣相沉積工藝，該方法產量較低(毫克級)。該制備工藝另一個特點在于其溫度在940℃～980℃之間就可以生長碳納米管，對于耐高溫材料可實現不破壞材料的情況下原位生長碳納米管或碳納米管薄膜。使用該發明制備碳納米管的過程中，不使用金屬催化劑，避免了金屬催化劑顆粒對碳納米管本征性能產生的各種影響。由于該方法不受催化劑的限制，直接在襯底上生長碳納米管，有望實現連續化生產。

附圖說明

圖1是碳納米管制備示意簡圖；

圖2是本實施例爐內沿中心縱向距離的溫度分布曲線；

圖3是本實施例產物的SEM圖像；

圖4是本實施例產物的TEM圖像；

圖5是本實施例產物的另一幅TEM圖像。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步說明。

實施例1：

如圖1，本實施例所用設備為臥式真空管式爐，在載氣的保護下升溫至940℃～980℃，通入碳源氣體，碳源在流經高溫區時裂解，并在低溫區的襯底上沉積，形成碳納米管。如圖2，r表示臥式真空管式爐的剛玉管管徑，本實施例所使用的高溫爐腔體內部中心部位與襯底所放置位置存在一個溫度梯度，當高溫爐加熱至程序設置溫度(如950℃時，腔體中心部位溫度為920℃(低于程序溫度30℃，如表1所示)，而襯底所放置位置溫度則在650℃～750℃左右，這個溫度梯度非常有利于形成碳納米管。本實施例爐內沿中心縱向距離的溫度分布數據見表1，對應的溫度分布曲線如圖2所示。

表1本實施例爐內沿中心縱向距離溫度分布。