[發明專利]一種片狀Fe基合金催化生長碳納米管陣列的制備方法

有效

• 申請號: 202110080774.X
• 申請日: 2021-01-21
• 公開（公告）號: CN112875680B
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發明（設計）人: 簡賢;吳龍偉;張興中;李元勛;蘇樺;舒劍
• 申請（專利權）人: 電子科技大學;江西國創產業園發展有限公司
• 主分類號: C01B32/16
• 分類號: C01B32/16;B01J23/745;B01J23/755;B01J23/86;B01J23/889;H01M4/587;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 吳姍霖

一種片狀Fe基合金催化生長碳納米管陣列的制備方法，屬于新材料技術、鋰離子二次電池領域。包括以下步驟：1)片狀Fe基合金置于CVD旋轉爐內，通入氮氣或者惰性氣體；2)啟動CVD旋轉爐，爐內溫度升至450～550℃，向爐內通入乙炔氣體，反應30min后，停止乙炔氣體的通入，得到長有碳納米管陣列的Fe基合金；3)酸洗處理去除Fe基合金，得碳納米管陣列。本發明通過控制工藝條件有效的調控碳納米管陣列的生長，成功的實現了基底、緩沖層、催化劑層三合一制備出碳納米管陣列；制備工藝條件溫和，方法簡單，有利于大規模的制備，具有很好的商業價值；制得的碳納米管應用于鋰離子電池負極，有良好的穩定性、較高的可逆比容量。

技術領域

本發明屬于新材料技術、鋰離子二次電池領域，具體涉及一種催化化學氣相沉積在Fe基合金表面制備碳納米管陣列的方法及其在鋰離子二次電池中的應用。

背景技術

自碳納米管發現以來，由于其獨特的幾何結構和電子結構而廣泛的受到各界的關注。同時，也因其具有良好的力學性能、大的長徑比、比表面積大、電導率高等特點，使其在傳感器、平板顯示器、超級電容器、鋰離子電池等領域得到了廣泛的應用。特別是針對鋰離子電池而言，傳統鋰離子電池的石墨負極材料最大理論比容量只有372mAh g^-1，這對于當今飛速發展的電子時代而言，其性能已不足以滿足當前的需求，因此迫切需要制備方法簡單、穩定性高、性能優異的負極材料。雖然，目前已經開發出的負極材料有很多，有硅負極材料、金屬氧化物負極材料、硅碳復合負極材料、金屬合金負極材料等，但碳材料由于其性能優良、價格低廉、制備簡單等特點仍是儲能領域的理想材料。所有碳材料中，碳納米管具有優良的導電性能和儲鋰性能，同時具有很小的直徑使得鋰的嵌入和脫出更加方便，使其在替代傳統鋰離子電池負極石墨材料上成為了一個尤為重要的話題。

碳納米管陣列相比無序的碳納米管而言，更有序，長徑比更穩定，應用于鋰離子電池將有更好的性能，因此關于碳納米管陣列的制備是一個極其熱門的話題。目前，碳納米管陣列的制備方法主要有兩種：物理方法和化學方法。物理方法主要包括傳統的電弧放電法(Arc discharge)、激光燒蝕法(Laser Ablation)等，但制備出來的碳納米管雜亂無章、相互纏繞，還需要借助碳納米管本身的特定性質(磁性和自組裝性能)去實現碳納米管的定向排列。由于物理法制備碳納米管陣列的局限性，所以對碳納米管的合成過程進行控制，使其有規律的定向生長，或者直接在基底上得到定向有序碳納米管陣列，甚至可以通過改變工藝參數，實現碳納米管長度、管徑、密度及生長方向等的可控，逐漸成為人們研究的熱點。這類制備定向碳納米管陣列的方法統稱為化學方法，主要是通過化學氣相沉積(CVD)技術直接在基體上生長出排列有序的碳納米管陣列。化學法主要包括：模板法、等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)、光輔助化學氣相沉積法、電場誘導法、襯底法等。而這些制備方法中，襯底法是目前最有前景、應用最廣的制備方法，其按照催化劑還可以分類為固體催化劑法和浮游催化劑法。固體催化劑法即通過電子束蒸鍍、磁控濺射、熱蒸發等技術在基底上分別鍍上緩沖層和催化劑，之后置于反應爐中制備碳納米管陣列；而浮游催化劑法是將催化劑與液態碳源混合作為前驅體溶液，以氣體形式引入反應室，催化熱解形成碳納米管。總的來說，目前關于碳納米管陣列的制備方法雖多，但還存在著些許的不足，要么制備方法簡單，但制備出碳納米管陣列互相纏繞、高度無序，要么制備碳納米管陣列的工藝過于繁瑣，不利于大批量的制備。因此，一種方法簡單、成本低廉、可批量生產碳納米管陣列的方法仍是一個較為重要的研究話題。

發明內容

本發明的目的在于，針對背景技術存在的缺陷，提出一種通過催化化學氣相沉積法在Fe基合金催化生長碳納米管陣列的制備方法。本發明采用片狀Fe基合金材料，通過催化化學氣相沉積法(CCVD)進行碳沉積，實現了基底、緩沖層和催化劑層三合一制備出具有良好致密性和長勢良好的碳納米管陣列。利用其大的長徑比使得鋰離子的嵌入深度小、行程短及嵌入位置多(管內和層間的縫隙、空穴等)，同時因碳納米管導電性能很好，具有較好的電子傳導和離子運輸能力，適合用作鋰離子電池負極材料。對比傳統的石墨負極性能有著明顯的提升，在鋰離子電池的應用上有著良好的應用前景。