[發明專利]一種V型火焰燃燒器及其合成碳納米管陣列的方法

無效

• 申請號: 201010572419.6
• 申請日: 2010-11-29
• 公開（公告）號: CN102070139A
• 公開（公告）日: 2011-05-25
• 發明（設計）人: 郭永紅;孫保民;趙惠富;許秉浩
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: C01B31/04
• 分類號: C01B31/04;B82Y40/00
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 史雙元

技術領域

本發明屬于碳納米管合成技術領域，具體涉及一種V型火焰燃燒器及其合成碳納米管陣列的方法。

背景技術

碳納米管(Carbon?Nanotube，CNT)是由一層或者多層石墨按照一定螺旋角卷曲而成的、直徑為納米級的管狀納米材料。碳納米管準一維納米新型碳材料具有獨特的電學、化學和機械性能。研究表明CNT的強度約為鋼的100倍，而密度卻只有鋼的六分之一。CNT的電阻為4.2～190kΩ/μm，其軸向熱導率高達6600W/(m·K)，比金屬的熱導率高出1個數量級，與迄今為止導熱性最好的材料金剛石相當；CNT具有豐富電子結構，是下一代微電子技術最有希望的元器件之一。但是自由生長的碳納米管雜亂無章、相互纏繞，限制了碳納米管的應用開發，特別是在器件化方面的應用。而定向碳納米管陣列在場發射、電極材料、超級電容、傳感器等方面顯示了較好的性能，是制造基于碳納米管的場發射平板顯示器的關鍵技術。因此，實現碳納米管陣列的高效、連續批量、低成本合成成為碳納米管應用的關鍵。

目前對于碳納米管陣列的合成法代表性研究主要有下面一些：

解思深等(Li?W?Z，Xie?S?S，Qian?L?X，et?al.Science，1996，274：1701～1703)提出利用孔道限制CNT取向的方法制備了碳納米管陣列。他們通過采用溶膠凝膠的方法，將鐵催化劑顆粒分散到正硅酸乙酯水解形成的凝膠中，然后通入乙炔氣體，并采用控制溫度為700℃的化學氣相沉積過程，分散在孔道中的納米級的鐵催化劑顆粒在一合適的溫度窗口內催化合成碳納米管并通過孔道限位，使CNT取向生長，從而獲得長徑比很大的碳納米管陣列。Ren等(Ren?Z?F，HuangZ?P，Xu?JW，et?al.Science，1998，282(5391)：1105～1107)提出的方法首先在玻璃基板上濺射上一層15nm～60nm的鎳膜，再經過氨氣的刻蝕獲得分散的催化劑顆粒，然后以乙炔為碳源通過等離子體增強化學氣相沉積，在660℃下制備出垂直于玻璃表面的定向多壁碳納米管陣列。等離子的誘導對CNT的定向生長起到了促進作用。范守善等(Melechko?A?V，MerkulovV?I，McKnightT?E，et?al.Journalof?Applied?Physics，2005，97(4)：104～130)首次利用薄膜催化熱化學氣相沉積成功制備了多壁碳納米管陣列，該法首先用電化學腐蝕單晶硅片獲得多孔硅，然后在多孔硅表面通過電子束蒸鍍獲得5nm的鐵催化劑膜，經空氣氣氛退火形成催化劑顆粒后，以乙炔為碳源，反應溫度為700℃，在熱化學氣相沉積爐中生長出了垂直于基板表面的多壁碳納米管陣列。

但以上合成碳納米管陣列的方法大都采用化學氣相沉積方法，且所采用設備均較為昂貴，反應步驟較為復雜。迄今為止，尚沒有高效、連續批量、低成本合成碳納米管陣列的方式。本發明在2006年孫保民、趙惠富(專利號：PNCN1830770-A)提出的V型和圓錐型熱解火焰合成碳納米管的燃燒器及合成方法基礎上提供了一種V型火焰合成碳納米管陣列的新方法。

發明內容

本發明的目的在于提供一種V型火焰燃燒器。

本發明的目的在于提供一種V型火焰合成碳納米管陣列的方法。

一種V型火焰燃燒器，其特征在于，所述燃燒器主要由V型等腰體1、矩形中心管2、外部火焰噴口3、取樣基板4組成；V型等腰體1兩側設置為開口，底部與矩形中心管2相接；外部火焰噴口3與矩形中心管2左右側面平行放置；取樣基板(4)按垂直于矩形中心管(2)的方向置于V型等腰體中央。

所述取樣基板(4)由以磁控濺射的方式依次涂上緩沖涂層和催化劑涂層的拋光單晶硅片或石英片構成。

所述緩沖涂層為單質鋁、催化劑涂層為單質鐵、單質鎳或單質鈷。

一種V型火焰合成碳納米管陣列的方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)首先，將V型燃燒器點火，可燃預混氣體從V型體外部火焰噴口噴出，并穩定燃燒，對V型口進行加熱，為碳納米管陣列的合成提供高溫熱源；

(2)其次，向矩形中心管通入反應物混合氣體，包括反應氣體、輔助氣體和惰性氣體，為碳納米管陣列的合成提供碳源；

(3)最后，將取樣基板放于燃燒器的V型出口處，加熱3～5min后取下，得到碳納米管陣列。

所述可燃預混氣體為氣體燃料與空氣或氧氣的預混氣。

所述氣體燃料為乙炔、乙烯或甲烷氣體。

所述反應氣體為一氧化碳、甲烷或乙炔，輔助氣體為氫氣，惰性氣體為氬、氦或氮氣。

通過調節燃氧比來調節火焰燃燒的劇烈程度，從而改變V型口取樣區溫度。