[發(fā)明專利]一種定向有序碳納米管制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710329045.7
• 申請日: 2017-05-12
• 公開（公告）號: CN107128901A
• 公開（公告）日: 2017-09-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 魏志鵬;方鉉;賈慧民;唐吉龍;房丹;王登魁;李金華;李洋;馬曉輝;王曉華
• 申請（專利權(quán)）人: 長春理工大學(xué)
• 主分類號: C01B32/162
• 分類號: C01B32/162;B82Y40/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及碳納米管材料制備領(lǐng)域，特別涉及一種可以實現(xiàn)碳納米管材料定向有序生長的制備方法。

背景技術(shù)

碳納米管（Carbon nanotubes，簡稱CNTs）是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料，CNTs可以簡單地描述為是由相互連接的碳原子層卷曲而成的管狀結(jié)構(gòu)，直徑從一納米到幾十納米不等，長度最長可達數(shù)厘米。按照組成碳納米管管壁的層數(shù)可將碳納米管分為單壁碳納米管和多壁碳納米管，多壁碳納米管一般由幾個或者幾十個單壁碳納米管組成。碳納米管具有較大的長徑比，其在力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱力學(xué)等方面具有突出的性能，包括高的機械強度、彈性模量、熱導(dǎo)性和電導(dǎo)性等。碳納米管具有的很大的強度，以及巨大的長徑比有望使其制作成韌性極好的碳纖維，并且碳納米管可以以相對低的成本批量生產(chǎn)，其具有的優(yōu)異性能和廣泛的應(yīng)用前景，長期吸引了大量研究人員的目光，在學(xué)術(shù)研究和工業(yè)領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注，經(jīng)過長期研究，在碳納米管制備及應(yīng)用方面均取得了較大的進展。

碳納米管按其取向狀態(tài)可分為定向有序和纏繞無序兩大類。常規(guī)方法制備的碳納米管往往處于無取向性、互相纏繞的無序狀態(tài)，這嚴重影響了碳納米管在物性、生長機理等方面的基礎(chǔ)性研究以及碳納米管的應(yīng)用開發(fā)研究，特別是碳納米管在器件化方面的應(yīng)用。定向碳納米管作為生長方向一致的碳納米管，與雜亂無序的碳納米管相比，其生長密度大，相互之間的分離性能好，更易分散、測量和應(yīng)用。

目前制備碳納米管的方法有電弧放電法、化學(xué)氣相沉積法、激光蒸發(fā)法、模版法、熱解催化、電解法等，但這些方法制備的碳納米管存在以下問題:(1) 制備的碳納米管大多自由取向，雜亂分布，長度和管徑分布不均勻；(2) 電弧放電制成的CNTs被燒結(jié)成束，管與管之間夾雜著雜質(zhì)或燒結(jié)在一起；(3) 制成的CNTs長度只有幾十微米，只能用掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡等非常規(guī)的方法來測量其物理性能。雖然經(jīng)過長期的研究，碳納米管的制備方法日趨成熟，但各個方法仍存在缺點和不足。首先，如何獲得操作易控、生產(chǎn)成本低、原料利用率高、結(jié)構(gòu)缺陷少、純度高的制備方法還需進一步深入研究；其次，一些碳納米管制備方法的生長機理研究不夠深入。

目前，定向碳納米管的制備主要是以化學(xué)氣相沉積法為基礎(chǔ)，其制備定向碳納米管的取向機制主要有：密度控制機制、速率控制機制、模板限制機制、等離子體誘導(dǎo)機制。形成的主要典型技術(shù)有模板法、等離子體增強化學(xué)氣相沉積法和有機金屬化合物催化熱解法。

常規(guī)化學(xué)氣相沉積(CVD)的模板合成法，因碳管端開口，非常適合填充其他材料，適應(yīng)于制作具有光、電、熱、力學(xué)等優(yōu)異綜合性能的納米復(fù)合材料。但這種方法也存在一些缺陷，如模板的去除、碳管間距及管徑不能自由調(diào)節(jié)、不能在基體上直接生長等問題。相比之下，等離子體增強化學(xué)氣相沉積技術(shù)在碳納米管有序化技術(shù)中顯得更加重要，這種技術(shù)可在基體上實現(xiàn)碳納米管的大面積、高度有序、直接離散生長，碳管間距和管徑可調(diào)，制成的產(chǎn)品具有優(yōu)異的場發(fā)射性能，可望應(yīng)用于超薄高效平板顯示器。同時，在陣列微電極、光電轉(zhuǎn)換器(如太陽能電池)等器件方面的應(yīng)用研究具有良好的市場應(yīng)用前景。但是該技術(shù)的有序化生長機制及影響因素等尚不完全清楚，嚴重限制了該技術(shù)的進一步完善和相關(guān)應(yīng)用研究的開展。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種定向有序碳納米管制備方法，采用鎳（Ni）、鐵（Fe）等磁性催化劑，在碳納米管制備過程中在生長區(qū)域外加定向磁場，外加磁場與磁性納米催化劑顆粒相互作用，利用磁性納米催化劑在磁場中受到的定向磁場力的作用帶動碳納米管定向生長，實現(xiàn)碳納米管的有序定向生長，該方法可以根據(jù)實際需要通過改變磁場方向獲得特定生長方向的碳納米管陣列，該方法可解決背景技術(shù)中所提到的定向有序碳納米管材料制備方法復(fù)雜、定向有序碳納米管材料不容易制備的難題，本發(fā)明提出的這種有序碳納米管制備方法制備工藝簡單，可以獲得質(zhì)量較高的定向有序分布的碳納米管陣列。

本發(fā)明提出一種定向有序碳納米管制備方法，該方法解決碳納米管生長非取向性的方案如下：首先對生長碳納米管的襯底進行化學(xué)清洗、氮（N）等離子體刻蝕清洗；然后在清洗后的襯底上制備一層3-5nm厚度的鎳或鐵等磁性催化劑材料薄膜，并高溫退火形成規(guī)則分布的磁性納米顆粒陣列催化劑材料；最后在碳納米管生長區(qū)域外加定向平行磁場，使磁場與磁性納米顆粒相互作用，磁性納米顆粒在磁場中受到定向的磁場力的作用，在碳納米管生長過程中磁性催化劑納米顆粒帶動碳納米管進行生長，實現(xiàn)本發(fā)明所提出的定向有序碳納米管陣列。