[發明專利]一種制備可紡絲超順排碳納米管陣列的方法

有效

• 申請號: 202110677087.6
• 申請日: 2021-06-18
• 公開（公告）號: CN113307252B
• 公開（公告）日: 2023-06-20
• 發明（設計）人: 袁寧一;費斐;丁建寧;周小雙
• 申請（專利權）人: 常州大學
• 主分類號: C01B32/162
• 分類號: C01B32/162;B01J23/745;B01J37/02
• 代理公司: 常州市英諾創信專利代理事務所(普通合伙) 32258
• 代理人: 王志慧

本發明屬于納米材料制備領域，具體涉及一種制備可紡絲超順排碳納米管陣列的方法，先在基底表面制備催化劑層，然后在保護氣體氛圍下加熱退火，繼而轉入反應爐中加熱至特定溫度；以三步法向反應爐中梯度式供給反應氣和保護氣的混合氣體，生長出可紡絲超順排碳納米管陣列。反應初期以加大占比的碳源氣通入，在催化劑表面生成一薄層無定形碳層以穩定催化劑的納米顆粒結構，防止高溫過程團聚，反應中期降低碳源氣的流量比，減少過程中無定形碳雜質生成，保證碳納米管陣列的垂直生長，反應后期在中斷碳源氣的同時迅速加大保護氣流量，以快速終止反應，穩定底部結構。制備得到的超順排可紡絲碳納米管陣列具有穩定性高，重復性好的優勢。

技術領域

本發明屬于納米材料制備領域，特別涉及一種制備可紡絲超順排碳納米管陣列的方法，尤指一種以三步法穩定制備超順排碳納米管陣列的方法。

背景技術

碳納米管是一種由單層或多層石墨層卷曲而成的同軸空心管狀的納米級材料。根據卷曲石墨層的層數不同，碳納米管又可以分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。碳納米管擁有獨特的力學、化學、電學性能，在能源、復合材料、環境、醫藥等領域展現出巨大的應用潛力。但碳納米管之間相互纏結嚴重影響了碳納米管塊體材料的性質，雖然碳納米管垂直陣列展現出了多方面優異的性能，但是其形貌和尺寸一直以來都有一定的限制。而超順排碳納米管垂直陣列，具有從陣列中連續不斷抽膜的特性，薄膜由首尾相連的超順排碳納米管組成，經過加捻或者其他處理過程之后還可以形成纖維。通過這種方法，可以將單根碳納米管的優異性質擴展到不同維度的碳納米管塊體材料中，在諸多領域都具有非常廣闊的應用前景。

超順排碳納米管垂直陣列由清華大學范守善研究組于2002年在Nature上首次報道。此外，中國科學院李清文課題組也實現了雙壁含量90％以上，管徑分布5nm左右的超順排碳納米管垂直陣列的批量制備。Baughman教授和其合作者們報道并展示了大面積超強透明的碳納米管薄膜，可以從這種超順排碳納米管陣列中連續拉出并進一步開發了一種拉伸加捻的紡絲方法，從而得到了更加有趣和具有實際應用價值的碳納米管紡線。

但目前已報道的制備超順排碳納米管垂直陣列的方法，其生長階段碳源氣均為一步法直接通入，工藝均存在反應過程中催化劑在高溫下容易團聚成大顆粒的問題，導致催化劑活性降低，且催化劑尺寸和分布不均一。

發明內容

本發明的目的在于提供一種穩定且寬窗口制備可紡絲超順排碳納米管陣列的方法。

為了實現上述目的，本發明的技術方案是：在潔凈的基底表面制備催化劑層；在保護氣體氛圍下，對催化劑層進行退火預處理；將帶有催化劑層的基底轉移至反應爐中，在保護氣體氛圍下加熱至一特定溫度；向反應爐中以三步法梯度供給碳源氣和保護氣的混合氣，中低壓下進行碳納米管陣列生長；待生長完成后快速提高機械泵抽速來迅速結束碳納米管陣列的生長。最后在保護氣體氛圍下，待反應爐冷卻至室溫后，關閉保護氣，卸真空，取出樣品。

該方法具體步驟如下：

Ⅰ、在潔凈的基底表面制備催化劑層，催化劑層包括無機催化劑緩沖層和金屬催化劑層；

其中，基底為硅片、石英片或如鋁、不銹鋼、鎳金屬基底中的一種。

無機催化劑緩沖層為氧化硅、氮化硅、碳化硅、氧化鋁、氮化鋁、氧化鋅、氧化鋯、氧化鉿中的一種或多種；

金屬催化劑層為鐵、鈷、鎳或其合金中的一種。

Ⅱ、在保護氣體氛圍下，對催化劑層進行退火預處理；

退火預處理為在空氣或氧氣氛圍下，將基底在300℃-500℃范圍內熱處理8-12小時。

Ⅲ、將步驟Ⅱ退火后的帶有催化劑層的基底轉移至反應爐中，在保護氣體氛圍下加熱；

將溫度加熱至范圍在500℃-1000℃。