[發明專利]一種連續制備金屬型單壁碳納米管纖維的方法

有效

• 申請號: 201811032216.0
• 申請日: 2018-09-05
• 公開（公告）號: CN110878433B
• 公開（公告）日: 2022-09-20
• 發明（設計）人: 楊名;張慧超;張永毅;李清文
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: D01F9/12
• 分類號: D01F9/12
• 代理公司: 南京利豐知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32256
• 代理人: 王茹;王鋒

本發明公開了一種連續制備金屬型單壁碳納米管纖維的方法，包括：采用浮動催化化學氣相沉積方法連續合成金屬型單壁碳納米管，進而獲得金屬型單壁碳納米管宏觀聚集體的第一步驟，將所述金屬型單壁碳納米管宏觀聚集體纖維化而獲得金屬型單壁碳納米管纖維的第二步驟；所述的第一步驟包括將原料輸入反應區的步驟以及在反應區內合成金屬型單壁碳納米管的步驟，所述將原料輸入反應區的步驟中，采用的原料包括高熔點金屬催化劑和液態碳源，所述高熔點金屬催化劑所含的金屬元素包括鎢、鈷或鎳。本發明的方法直接簡便，連續性好，可控易操作，安全性好；所獲金屬型單壁碳納米管纖維具有較高的電導率，較強的力學性能和結晶度，應用前景廣泛。

技術領域

本發明涉及一種合成金屬型單壁碳納米管纖維的方法，特別涉及一種連續合成金屬型單壁碳納米管纖維的方法及系統，屬于單壁碳納米管纖維制備技術領域。

背景技術

碳納米管纖維是由碳納米管之間以范德華力互相連接，沿軸向取向形成的宏觀一維纖維狀納米材料，具有輕質高強、高導電、高比表面積和多功能的特性，應用前景廣泛。該纖維的性能與其組成單元-碳納米管的結構和形態關系非常大。單壁碳納米管(SWCNT或SWNT)，全部由碳原子構成，幾何結構可以視為由單層石墨烯卷曲而成，擁有碳納米管中最為優異的綜合特性。按電子結構分，單壁碳納米管具有半導體型和金屬型，而金屬型單壁碳納米管是單壁碳納米管中導電性即電子傳輸性能最好的，因此由金屬型單壁碳納米管組成的宏觀纖維有著可期的優異性能。

液相法是將碳納米管分散在液體中，通過擠出和去除雜質等后處理獲得碳納米管纖維的技術。用液相法將單壁管組成制備單壁碳納米管纖維是可以的，但是其原料碳納米管無法控制選自是金屬型還是半導體型。這是由于碳納米管本身的電子學特性，作為原料制備出來的單壁碳納米管都含有約三分之一的金屬型和約三分之二的半導體性碳納米管且無法良好分離。

陣列法是在基底上生長碳納米管垂直陣列，并機械拉出加捻成纖維的技術。用陣列法可制備金屬型或半導體型碳納米管，但其密度和高度都不滿足紡絲要求，無法制成纖維。

浮動催化化學氣相沉積法是化學氣相沉積法的一種，它是將反應物與載氣注入高溫管式爐，一步實現碳納米管合成并組裝成纖維的技術，特點在于其原料注入之后在載氣中自由反應，無需沉積用的基底。例如，其中一種典型的利用浮動催化法制備金屬型單壁碳納米管纖維的方法是：使用二茂鐵做催化劑，甲烷為碳源，配合噻吩或二硫化碳為催化助劑。該浮動催化法雖然可以制備金屬型單壁碳納米管纖維，但是合成過程中使用二茂鐵等含鐵催化劑和甲烷等氣態碳源，由于鐵的熔點較低，在合成碳納米管的高溫反應中形成液相，導致催化劑難以控制，制備金屬型單壁碳納米管非常困難且質量不佳，纖維的性能很差。同時，甲烷作為碳源是氣相的，受浮動法載氣影響極大，纖維連續性差，而且氣態碳源不安全，存在安全隱患。

發明內容

本發明的主要目的在于提供一種連續制備金屬型單壁碳納米管纖維的方法，以克服現有技術中的不足。

為實現前述發明目的，本發明采用的技術方案包括：

本發明實施例提供了一種金屬型單壁碳納米管的合成方法，是基于浮動催化化學氣相沉積方法實現的，它包括將原料輸入反應區的步驟以及在反應區內合成金屬型單壁碳納米管的步驟，所述將原料輸入反應區的步驟中，采用的原料包括高熔點金屬催化劑和液態碳源，所述高熔點金屬催化劑所含的金屬元素包括鎢、鈷或鎳。

在一些典型實施案例之中，所述高熔點金屬催化劑包括六氯化鎢、氯化鈷和氯化鎳中的任意一種或兩種以上的組合。

在一些典型實施案例之中，所述液態碳源包括乙醇和/或丙酮。

本發明實施例還提供了一種連續制備金屬型單壁碳納米管纖維的方法，包括：

采用浮動催化化學氣相沉積方法連續合成金屬型單壁碳納米管，進而獲得金屬型單壁碳納米管宏觀聚集體的第一步驟，

將所述金屬型單壁碳納米管宏觀聚集體纖維化而獲得金屬型單壁碳納米管纖維的第二步驟；