[發明專利]單壁碳納米管薄膜的氣相連續制備方法及專用裝置

有效

• 申請號: 201410486883.1
• 申請日: 2014-09-23
• 公開（公告）號: CN104261384A
• 公開（公告）日: 2015-01-07
• 發明（設計）人: 孫東明;汪炳偉;劉暢;侯鵬翔;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;B82Y30/00
• 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

技術領域

本發明涉及單壁碳納米管的浮動催化劑化學氣相沉積法制備及其薄膜連續收集技術，具體為一種單壁碳納米管薄膜的氣相連續制備方法及專用裝置。

背景技術

透明、柔性的薄膜晶體管電路在未來的電子紙、柔性電池、電子標簽、柔性透明顯示等領域具有廣闊的應用前景。碳納米管作為準一維納米材料具有優異的電學、光學和力學特性，適合于制備透明導電薄膜和柔性薄膜晶體管電路，可望促進柔性光電器件的發展。

單壁碳納米管的制備方法包括電弧放電法、激光燒蝕法和化學氣相沉積法等。電弧放電法和激光燒蝕法制備的碳納米管在應用中，通常需要進行溶液分散、純化和分離等后處理工藝，這些工藝會使碳納米管產生表面破壞、長度變短、界面污染等缺陷，降低碳納米管及其薄膜的光電學性能。化學氣相沉積法可實現水平、垂直碳納米管陣列和隨機分布的碳納米管薄膜的制備，由于制備裝置成本較低、易于放大，且碳納米管制備的產率高，該方法已經成為一種制備碳納米管薄膜材料的有效技術。基于碳納米管合成中催化劑固定/擔載和浮動形式，化學氣相沉積法可制備出基底支撐/擔載式和自支撐式碳納米管。在浮動催化劑化學氣相沉積方法中，催化劑前驅體被載氣帶入反應區，分解為金屬催化劑顆粒，碳源在其上分解生長碳納米管，并被氣流攜帶出反應區，可以大大降低碳納米管的制造成本，有良好的產業化應用前景。[文獻1,Cheng?HM,Li?F,Su?G,Pan?HY,He?LL,Sun?X,Dresselhaus?MS,Appl.Phys.Lett.,1998,72(25),3282-3284]。

目前，浮動催化劑化學氣相沉積法收集薄膜的方式為在反應區末端安裝微孔濾膜收集裝置，生成的碳納米管隨載氣流出反應區、沉積在微孔濾膜上。通過調節收集時間，碳納米管薄膜的厚度可從亞單層(碳納米管的數量不足以形成連續薄膜)到數微米量級，濾膜上的碳納米管薄膜可以轉移到包括塑料、玻璃、石英、硅片和金屬等基底上，這種不同厚度的碳納米管薄膜在薄膜晶體管和透明導電薄膜等領域具有應用前景。[文獻2,Nasibulin?AG,Kaskela?A,Mustonen?K,Anisimov?AS,Ruiz?V,Kivsto?S,Rackauskas?S,Timmermans?MY,Pudas,M,Aitchison?B,Kauppinen?M,Brown?DP,Okhotnikov,OG,Kauppinen?EI,ACS?Nano,2011,5(4),3214-3221]。

通常微孔濾膜安裝在針式過濾器中，一方面，過濾器只能放置單片濾膜，圓片濾膜的直徑一般在十幾到幾十毫米量級；另一方面，氣相過濾過程需要在密閉的環境中進行，不能滿足連續化成膜要求。雖然浮動催化劑化學氣相沉積法具備了宏量連續合成單壁碳納米管的優勢和特點，然而目前已有碳納米管的成膜技術不適用于連續制備大面積、均勻、密度可控的單壁碳納米管薄膜，阻礙了單壁碳納米管薄膜的規模化應用進程。目前的主要問題是如何充分發揮浮動催化劑化學氣相沉積法可連續生長的優勢、實現大面積碳納米管薄膜的連續、均勻收集，以滿足其商業化應用的需求。

發明內容

本發明的目的之一在于提供一種單壁碳納米管薄膜的氣相連續制備方法及專用裝置，克服浮動催化劑化學氣相沉積法收集碳納米管薄膜的不連續性問題。

本發明的目的之二在于提供一種常溫、常壓下大面積(寬幅米級，長幅不受限)單壁碳納米管薄膜的氣相連續制備方法及專用裝置，克服已有的單片濾膜收集方法所獲得的單壁碳納米管薄膜尺寸小(厘米級)的問題。

本發明的目的之三在于提供一種均勻、密度可控的單壁碳納米管薄膜的氣相連續制備方法及專用裝置，克服了碳納米管薄膜密度控制問題。

本發明的技術方案是：

一種單壁碳納米管薄膜的氣相連續制備方法，在常壓室溫條件下利用氣相抽濾裝置，將浮動催化劑化學氣相沉積法合成的單壁碳納米管沉積到勻速移動的微孔濾膜表面，通過控制微孔濾膜的移動速度并調控氣流量平衡，獲得大面積、均勻、密度可控的單壁碳納米管薄膜。

所述的單壁碳納米管薄膜的氣相連續制備方法，微孔濾膜為柔性微孔膜：硝酸纖維素膜、醋酸纖維素膜、硝酸纖維醋酸纖維素混合膜或聚偏氟乙烯膜。