[發(fā)明專利]一種在碳纖維紙基底上直接生長碳納米管陣列的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210448832.0
• 申請日: 2012-11-12
• 公開（公告）號: CN103253647A
• 公開（公告）日: 2013-08-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張晶;王修春;馬婕;劉碩;伊希斌
• 申請（專利權(quán)）人: 山東省科學院新材料研究所
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;B82Y30/00
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種在碳纖維紙基底上直接生長碳納米管陣列的方法。

背景技術(shù)

碳納米管是典型的一維納米材料，由于其獨特的結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的物理、化學性能和廣闊的應用前景而備受關(guān)注。碳納米管具有較好的電荷傳輸性能，可以用作綠色儲能器件的電極材料促進電子轉(zhuǎn)移，如燃料電池、超級電容器、全釩液流電池及有機太陽能電池，具有廣泛的應用前景。

通常制備得到的碳納米管是非取向性的，呈纏繞狀，碳納米管優(yōu)異的管徑比及比表面積都大打折扣，許多一維材料的優(yōu)異性能得不到有效地發(fā)揮，嚴重影響了碳納米管的性質(zhì)研究和實際應用。因此，探索制備取向性好的碳納米管陣列的方法，具有十分重要的意義。目前，許多研究者已經(jīng)在硅基底、石英基底及其它金屬鍍膜基底上生長出碳納米管陣列。Ren?ZF(Science?1998；282：1105-7)和Fan?SS(Science?1999；283：512-4)分別在玻璃和多孔硅基底上生長出多壁碳納米管陣列。但是催化劑制備過程復雜，基底均為不導電的板狀材料，需要經(jīng)過轉(zhuǎn)移才能應用為燃料電池等儲能器件的電極材料。中國專利(2008201367639)公開了一種新型的陣列電極，導電基體涉及到鈦、鋁、銅、鉭、鎢、導電塑料或?qū)щ娤鹉z等，未涉及碳紙基體。中國專利(200710118930.7)公開了一種高取向碳納米管薄膜的制備方法，該方法將碳納米管溶液鋪展在基片上，同時施加高壓電場。該方法制備過程要求苛刻，不易控制，成本高。中國專利(200710118930.7)公開了一種基于化學氣相沉積制備碳納米管陣列的方法，采用合成氣作為碳源，在非導電基體上生長碳納米管。雖然該方法降低了制備碳納米管的成本，但是不利于生產(chǎn)高質(zhì)量的碳納米管陣列。非導電基體不能直接作為燃料電池、超級電容器等儲能器件的電極材料。

因此，提供一種工序簡單、高密度、可以直接在導電基底碳紙上生長，適合在工業(yè)上大規(guī)模批量生產(chǎn)的碳納米管陣列的制備方法是十分必要的。

發(fā)明內(nèi)容

將碳纖維紙作為基底；在基底表面形成催化劑前驅(qū)體，所述催化劑分別可含有Fe、Co、Ni元素；將所述形成有催化劑前驅(qū)體的碳纖維紙基底置于反應爐內(nèi)，加熱所述基底至第一溫度并保持預定時間，以去除催化劑前驅(qū)體中的有機物；在保護氣體下，向反應爐內(nèi)通入還原氣體，對所述形成有催化劑前驅(qū)體的基底加熱至第二溫度并保持預定時間，以使催化劑前驅(qū)體中的Fe、Co、Ni元素還原；向反應爐中通入保護氣體與碳源氣體的混合氣，并加熱至第三溫度，在所述基底的催化劑表面生長出高密度碳納米管陣列。

本發(fā)明的優(yōu)點在于提出的制備方法是通過控制沉積碳納米管的催化劑顆粒大小來控制碳納米管的管徑，沉積碳納米管的催化劑顆粒大小可以通過控制制備溶膠溶液的工藝參數(shù)來控制。相較于現(xiàn)有技術(shù)，溶膠凝膠法制備的催化劑前驅(qū)體可直接涂覆在碳紙表面，此方法簡單易行，容易控制，成本低，有利于大面積、大批量生產(chǎn)，易于后續(xù)利用。使該碳納米管/碳紙復合體有較大的應用范圍，如燃料電池、超級電容器及全釩液流電池的電極材料，并適合在工業(yè)上批量生產(chǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法制的碳納米管陣列的SEM圖

具體實施方式

碳紙用稀鹽酸、丙酮、酒精、去離子水逐一超聲清洗并烘干待用。將不同濃度的Fe、Co、Ni酸鹽溶液與有機溶劑混合制備出溶膠。將制備好的溶膠采用旋涂法或浸漬提拉法沉積于碳纖維紙基底。旋涂法的旋涂轉(zhuǎn)速為4000-5000轉(zhuǎn)/分鐘，旋涂時間為30秒-2分鐘。浸漬提拉法的提拉速度為10-20cm/分鐘。濕膜在100℃熱處理后重復浸漬提拉，提拉次數(shù)為3-10次。

將所述形成有催化劑前驅(qū)體的碳纖維紙基底置于反應爐內(nèi)，在化學氣相沉積系統(tǒng)中直接生長碳納米管陣列：具體制備包括以下步驟：

(1)將涂有溶膠的碳纖維紙置于化學氣相沉積系統(tǒng)的腔室內(nèi)，開始升溫，目標溫度為300-500℃，保持時間為10-120分鐘。

(2)爐溫升至到400℃-600℃，通入保護氣體和還原氣體，保持時間為30-120分鐘。保護氣體為氮氣、氬氣或它們的混合物。還原氣體為氫氣。

(3)將爐溫繼續(xù)升至750-900℃，通入碳源氣體，如甲烷、乙烷、乙炔、乙烯或它們的混合物。保持時間為15-90分鐘。其中保護氣體和碳源氣體的體積比為1-1∶10。

下面結(jié)合具體實施進行說明。

實例1