[發明專利]在水泥熟料上連續、大規模合成碳納米管的方法及納米結構產品

有效

• 申請號: 200980125145.1
• 申請日: 2009-04-30
• 公開（公告）號: CN102131744A
• 公開（公告）日: 2011-07-20
• 發明（設計）人: L·奧蘭多拉迪拉;E·伊萊托達希爾瓦;S·德奧利維拉;R·格瑞貝爾拉瑟達;A·森塔羅薩菲爾勞托;E·勞恩肯;E·德索扎愛維拉
• 申請（專利權）人: 米納斯吉拉斯聯合大學
• 主分類號: C04B7/42
• 分類號: C04B7/42;C04B14/34
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 李帆

本發明描述了用于碳納米管合成的化學氣相沉積，其中使用水泥熟料作為用于錨固(anchoring)過渡金屬納米顆粒的陶瓷基體。使用水泥熟料作為過渡金屬的納米顆粒錨固基底允許在水泥熟料顆粒和晶粒上產生碳納米管，以這種方式產生一種用碳納米管納米結構化的水泥。其中，通過該方法，以僅一個連續且大規模的階段進行碳納米管合成和將其與熟料結合，本文描述的方法可以適用于其產量可被評估為每天數噸的傳統水泥工業。作為在水泥熟料上合成碳納米管的一部分，本發明通過使用用于產生這樣的納米結構復合物的過渡金屬還提出了水泥熟料的若干富集(enrichment)替代方法，其可以整合到傳統水泥工業中或者可以不整合到傳統水泥工業中。

現有技術狀態

現今，認為碳納米管是納米科學和納米技術中最重要的材料之一，在材料和生物材料工程、化學和石油化學、制藥和藥物中具有充分和多樣的用途。特別地，將碳納米管納入到聚合物基體中在目前是與常規聚合物相比具有優越得多的機械性能的新聚合物復合材料的來源。

碳納米管是管狀碳纖維納米結構，其直徑為0.7-50nm和長度為0.5-100μm。納米管碳原子通過牢固的共價鍵彼此連接形成平面六邊形網絡，其典型地是碳的石墨(graffiti)相。通過將碳片層卷起形成碳納米管，碳納米管可以由單個碳片層或由多個卷起的同心片層構成，分別稱作單壁碳納米管(SWNT)和多壁碳納米管(MWNT)，碳原子之間這樣的牢固連接給這些材料提供異常的物理-化學性能，例如高的機械抗性、化學惰性和大的比表面積。

碳納米管彈性模量為1-1.8TPa，遠高于商用碳纖的典型800GPa的彈性模量(Treacy?M，Ebbesen?TW，Gibson?JM.1996.Nature?381：678-80)，并且其斷裂強度達到鋼的斷裂強度的50倍。這樣的碳納米管機械性能改善了在其組成中含有它們的材料的機械和結構特征。

其它涉及碳納米管和其在各種應用中的潛力的文獻為：M.S.Dresselhaus，G.Dresselhaus，P.C.Ecklund，Science?of?Fullerenes?and?Carbon?Nanotubes，Academic?Press，San?Diego(1996)；Peter?J.F.Harris，Carbon?Nanotubes?and?Related?Structures；New?Materials?for?the?Twenty-first?Century，Cambridge?University?Press，2008-ISBN-13：9780521005333；Mauricio?Terrones，SCIENCE?AND?TECHNOLOGY?OF?THETWENTY-FIRST?CENTURY：Synthesis，Properties?and?Applications?of?Carbon?Nanotubes，Annu.Rev.Mater.Res.2003.33：419-501。

在多種大規模納米管合成路徑中，用于碳納米管合成的化學氣相沉積是最有希望的一種。該方法基本上是通過作為碳前體試劑的輕烴(甲烷，乙烯，乙炔)的分解或熱解來實施。在受控制氣氛下通過主要使用惰性氣體作為用于生長環境控制的載帶劑和作為用于反應副產物的拖帶物(drag)進行這樣的分解。如圖1中所示意性地描述的，上述合成系統基本上由管式窯構成，該方法中涉及受控制的溫度和氣體流量控制器。圖1由納米管催化合成中在氧化物顆粒上的化學氣相沉積示意圖組成并且其提供了通過使用上述技術生長的碳納米管的顯微鏡法視圖。

一般而言，碳納米管通過化學氣相沉積的生長過程在大氣壓下進行并且通過納米顆粒過渡金屬來催化碳氣體前體的分解反應，所述納米顆粒過渡金屬錨固在熱穩定的金屬氧化物載體中。對該催化劑進行設計以選擇性地促進所述熱解反應使得其優選在這些納米顆粒的表面上進行。