[發明專利]氫氣原位弱刻蝕生長高質量半導體性單壁碳納米管的方法

有效

• 申請號: 201210566068.7
• 申請日: 2012-12-24
• 公開（公告）號: CN103011130A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 侯鵬翔;李文山;劉暢;成會明
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;B82Y40/00
• 代理公司: 沈陽優普達知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

1.一種氫氣原位弱刻蝕生長高質量半導體性單壁碳納米管的方法，其特征在于，以二茂鐵、二茂鎳、二茂鈷或二茂銅為催化劑前驅體、硫粉為生長促進劑、氫氣為載氣和刻蝕氣體，在溫度1000-1100℃下同時通入碳源氣體，并調控氫氣流量進行單壁碳納米管的生長及原位刻蝕，去除小直徑半導體性單壁碳納米管和金屬性單壁碳納米管，最終獲得半導體性單壁碳納米管占優的樣品，半導體性單壁碳納米管含量≥91wt%。

2.按照權利要求1所述的氫氣原位弱刻蝕生長高質量半導體性單壁碳納米管的方法，其特征在于，先將制備得到的單壁碳納米管樣品以透光率80%-90%直接轉移到石英片上，進行紅外-可見-紫外吸收光譜測試；然后將所測得的曲線進行背底扣除，并由去背底后的吸收光譜定量計算，獲得這種方法制備的單壁碳納米管樣品中，半導體性單壁碳納米管含量≥91wt%。

3.按照權利要求1所述的氫氣原位弱刻蝕生長高質量半導體性單壁碳納米管的方法，其特征在于，碳納米管直徑分布采用透射、拉曼光譜表征，碳納米管直徑在1.5-2.5nm之間；透射、拉曼光譜還用于表征微量樣品的質量，高質量是指碳層結構完整性好，I_G/I_D比值高于78，I_G/I_D為G峰強度與D峰強度的比值。

4.按照權利要求1所述的氫氣原位弱刻蝕生長高質量半導體性單壁碳納米管的方法，其特征在于，具體步驟如下：

在氫氣保護下，先將化學氣相爐溫度升至1000-1100℃；再調節氫氣流量至相應值，并通入碳源氣體；然后將二茂鐵、二茂鎳、二茂鈷或二茂銅和硫粉同時置于爐溫為80-90℃處，二茂鐵、二茂鎳、二茂鈷或二茂銅在所述溫度下分解出催化劑納米鐵顆粒、納米鎳顆粒、納米鈷顆粒或納米銅顆粒，在催化單壁碳納米管生長的同時，也催化氫氣分解氫自由基，繼而對金屬性和小直徑單壁碳納米管進行原位刻蝕，氫氣流量為500-4000毫升/分鐘，二茂鐵、二茂鎳、二茂鈷或二茂銅與硫粉的重量比為200-50，碳源氣體的流量為1-30毫升/分鐘，時間為5-60分鐘。

5.按照權利要求4所述的氫氣原位弱刻蝕生長高質量半導體性單壁碳納米管的方法，其特征在于，優選地，氫氣流量為1700-3000毫升/分鐘，二茂鐵、二茂鎳、二茂鈷或二茂銅與硫粉的重量比為200-100，碳源氣體的流量為10-30毫升/分鐘，時間為20-40分鐘。

6.按照權利要求4所述的氫氣原位弱刻蝕生長高質量半導體性單壁碳納米管的方法，其特征在于，以有機低碳氣態烴：甲烷、乙炔、乙烯或丙烯為碳源氣體，有機低碳氣態烴高溫裂解的微量氫自由基和烷基自由基也可以刻蝕金屬性和小直徑單壁碳納米管。

7.按照權利要求1或4所述的氫氣原位弱刻蝕生長高質量半導體性單壁碳納米管的方法，其特征在于，氫氣既作為載氣又作為刻蝕性氣體，氫氣的刻蝕性源于在1000℃以上的高溫及催化劑納米鐵顆粒、納米鎳顆粒、納米鈷顆粒或納米銅顆粒作用下，催化氫氣離解成氫自由基，并與碳納米管發生反應。

8.按照權利要求1或4所述的氫氣原位弱刻蝕生長高質量半導體性單壁碳納米管的方法，其特征在于，宏量樣品的高質量特征是通過熱分析實驗來表征的，高質量半導體性單壁碳納米管的集中氧化溫度高于720℃；在熱分析實驗前，半導體性單壁碳納米管采用低溫氧化提純，步驟為：將制備得到的單壁碳納米管樣品在空氣氣氛下低溫、長時間氧化以去除無定形炭雜質，溫度為350-380℃，氧化時間為3-10小時；再用濃度為15-35wt%的鹽酸溶液浸泡上述樣品以去除金屬催化劑顆粒，并用去離子水清洗干凈和真空干燥。

9.按照權利要求1或4所述的氫氣原位弱刻蝕生長高質量半導體性單壁碳納米管的方法，其特征在于，通過控制碳納米管生長時的氫氣流量實現高質量、半導體性單壁碳納米管控制生長，金屬性單壁碳納米管以及小直徑單壁碳納米管的反應活性比大直徑半導體性單壁碳納米管高，通過氫氣原位刻蝕作用，優先原位選擇性刻蝕掉金屬性和小直徑單壁碳納米管，從而得到高質量、大直徑的半導體性單壁碳納米管。

10.按照權利要求1或4所述的氫氣原位弱刻蝕生長高質量半導體性單壁碳納米管的方法，其特征在于，每批次得到的高質量半導體屬性單壁碳納米管的含量由反應爐管的直徑決定，對于直徑為50mm的反應爐管來說，每批次得到的樣品量為10-30mg。