[發明專利]管壁層數可控的碳納米管的制備方法

無效

• 申請號: 200810059140.0
• 申請日: 2008-01-14
• 公開（公告）號: CN101302006A
• 公開（公告）日: 2008-11-12
• 發明（設計）人: 楊杭生;張孝彬;董西慧;祝文明;趙崇斌;牛強
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;C30B29/02;C30B29/62;C30B25/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司
• 代理人: 韓介梅

技術領域

本發明涉及碳納米管的制備方法，尤其是管壁層數可控的碳納米管的制備方法。

背景技術

自1991年日本科學家Iijima發現了碳納米管這種同軸多層管狀的、納米尺寸的、具有完整分子結構的新型碳材料后，碳納米管的特殊的結構使其具有優異的性能。例如，隨著直徑和螺旋度的變化，單壁碳納米管的導電性可以是導體、半導體和絕緣體；室溫下單壁碳納米管的軸向導熱系數大約在6600W/m·K以上，單根多壁納米碳管室溫熱導系數大于3000W/m·K，都遠遠大于金剛石和石墨；碳納米管的楊氏模量比石墨面的楊氏模量高，幾乎與金剛石相同，其強度約為鋼的100倍，而密度卻只有鋼的1/6，可能是目前比強度和比剛度最高的材料。另外，碳納米管的填充性能吸附性能和復合性能等等，使碳納米管具有廣泛的應用前景和研究價值。

目前已經開發出了電弧法、激光法、催化熱解法、微孔模板法、等離子體法、溶液法、電解合成法、熱解聚合物法、火焰法、離子輻射法等制備碳納米管的方法。所制備的碳納米管可以是高純度的單壁碳納米管、二壁碳納米管和多壁碳納米管。但是如何控制多壁碳納米管的管壁層數依然是一個難題，因而目前制備的多壁碳納米管，多數是不同管壁層數的碳納米管的混合物，不利于對多壁碳納米管的特性的研究，以及多壁碳納米管用于復合材料的應用。

發明內容

本發明的目的是提供一種管壁層數可控的碳納米管的制備方法。

本發明的管壁層數可控的碳納米管的制備方法，其特征包括以下步驟：

1)將過渡金屬鹽、載體鹽和分散劑混合后用去離子水配成溶膠或溶液，過渡金屬鹽、載體鹽和分散劑的摩爾比為1∶(1-15)∶(0.01-15)；

2)用溶膠凝膠法或者冷凍干燥法干燥溶膠或溶液，制得催化劑，或者用瑪瑙碾缽細磨制取催化劑粉末；

3)把催化劑粉末均勻分散在催化劑室中，把催化劑室送入CVD裝置的恒溫反應器中，在保護氣體氣氛中加熱到700-1200℃，然后通入碳源氣體，控制載氣流量在200-1000sccm，碳源氣體的流量在50-300sccm，生長碳納米管。

本發明中，所說的保護氣體可以是氫氣、氬氣、氦氣、氖氣和氮氣中的一種或幾種。所說的碳源氣體可以是甲烷、乙烷、乙烯和乙炔中的一種或幾種。載氣可以是氫氣、氬氣和氮氣中的一種或幾種。

本發明中，所說的分散劑可以是檸檬酸、聚乙烯醇和乙二胺中的一種或幾種。載體鹽可以采用鋁鹽、鎂鹽和鋅鹽中的一種或幾種；如：硝酸鋁、硝酸鎂、乙醇鎂、硝酸鋅等。

過渡金屬鹽可以是摻雜了鐵鹽、鈷鹽和鎳鹽中的一種或幾種的鉬酸鹽；如：硝酸鐵、硝酸鈷、硝酸鎳、鉬酸銨等。

本發明中，采用溶膠凝膠法干燥溶膠或溶液的溫度可為90-110℃

上述所述的化合物試劑均為分析純試劑，所采用的氣體均為純度高于99.99％，當輸入的氣體為二種或二種以上時，則將反應氣體在氣相生長裝置的混和室充分緩沖混和后再輸入到反應室。

本發明在催化劑制備過程中，采用摻雜的過渡金屬鹽的理由：在還原氣氛中，催化劑被還原成納米金屬粒子后，其中的Fe、Co、Ni等過渡金屬原子能夠參與碳原子在金屬Mo納米粒子中的擴散過程，即摻入了Fe、Co、Ni等過渡金屬原子后，它們與碳原子之間的作用使碳原子在Mo中的擴散速度可控制，從而使碳原子容易聚集在金屬Mo納米粒子的表層，達到控制碳納米管的管壁層數的目的。

本發明通過改變碳源氣體的流量以及過渡金屬鹽、載體鹽和分散劑的摩爾比，可以控制碳原子在金屬納米粒子中的擴散速度，從而控制碳納米管的管壁層數。

本發明的有益效果在于：

(1)工藝、設備簡單，原料廉價易得，操作簡單。

(2)通過控制碳原子的擴散速度，達到對碳納米管的管壁層數的控制，只要改變催化劑中Fe、Co、Ni等原子和Mo原子的原子比，可以用相同的條件制備不同管壁層數的碳納米管。

(3)用本發明制備的雙壁、三壁碳納米管的純度可以達到70％以上，四壁碳納米管的純度可達到60％。可以克服目前所制備的多壁碳納米管實際是管壁層數不確定的碳納米管混合物的缺點，為科學研究各種不同管壁層數的碳納米管的特性提供基礎，并可以用于單一結構的多壁碳納米管制備復合材料，因而極具應用前景。

附圖說明

圖1是實施例1所生長的雙壁碳納米管的TEM照片；

圖2是實施例2所生長的三壁碳納米管的TEM照片；

圖3是實施例3所生長的四壁碳納米管的TEM照片。

具體實施方式

實施例1：