[發(fā)明專利]一種以甲烷為碳源、高熔點金屬氧化物輔助催化生長窄直徑分布的單壁碳納米管的制備方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202310335431.2
• 申請日: 2023-03-31
• 公開（公告）號: CN116375004A
• 公開（公告）日: 2023-07-04
• 發(fā)明（設計）人: 汪鐳;霍琴梅;舒穎
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院成都有機化學有限公司
• 主分類號: C01B32/162
• 分類號: C01B32/162;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 天津易企創(chuàng)知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(普通合伙) 12242
• 代理人: 王春梅

本發(fā)明提供一種以甲烷為碳源、高熔點金屬氧化物輔助催化生長窄直徑分布的單壁碳納米管的制備方法，以甲烷為碳源，氮氣作為保護氣體，氧化鎂作為催化劑載體，通過浸漬法以過渡金屬為活性相、高熔點金屬鎢為摻雜第二金屬來制備雙金屬催化劑，使用常壓化學氣相沉積法制備窄直徑分布的單壁碳納米管。本發(fā)明制備的單壁碳納米管的直徑分布較窄，單壁碳納米管的手性以金屬性為主，且非晶碳較少。

技術(shù)領域

本發(fā)明屬于材料領域，具體涉及一種以甲烷為碳源、高熔點金屬氧化物輔助催化生長高導電性的窄直徑分布的單壁碳納米管的制備方法。

背景技術(shù)

單壁碳納米管獨特的準一維結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的電學，熱學，力學和光學性能，在儲能器件，電子和光伏材料，生物醫(yī)藥等領域有極大的應用潛力。單壁碳納米管的帶隙寬度與管徑大小直接相關(guān)，然而目前制備的單壁碳納米管是多種直徑混合物，這嚴重限制了該材料在上述領域的應用。因此，單壁碳納米管的直徑控制制備，有利于其滿足不同的應用需求，是推動其實際應用的關(guān)鍵。

單壁碳納米管最主要的制備方法是化學氣相沉積法(CVD)。在CVD生長過程中，碳納米管的影響因素有很多，如碳源、催化劑、溫度、壓力等等，可以通過調(diào)節(jié)不同因素實現(xiàn)單壁碳納米管的直徑控制。其中，碳源因為生長機理的不同會影響影響單壁碳納米管手性角生長。Maoshuai?He等人報道研究發(fā)現(xiàn)，以垂直生長模式的CO為碳源能制備(0.7–1.6nm)分布的單壁管；以切向生長模式的CH₄為碳源的制備的為1-4.7的寬分布的單壁管[MaoshuaiHe,Hua?Jiang,Esko?I.Kauppinen.et?al.,Nanoscale?2012,4(23),7394-8.]。雖然CO被廣泛用于，單壁碳納米管的選擇性生長。但是CO不僅有毒，并且在高溫歧化過程中會排放CO₂等溫室氣體，不利于環(huán)境友好。甲烷雖然受生長機理的影響，生長的單壁管的直徑分布較寬，但是低成本和環(huán)境友好性的特點使其成為理想的候選碳源。

單壁碳納米管從活性催化劑納米顆粒中成核生長，催化劑納米顆粒的結(jié)構(gòu)，包括成分，形態(tài)和尺寸分布都直接影響單壁碳納米管的直徑分布，通過調(diào)節(jié)催化劑來實現(xiàn)單壁管的直徑選擇性生長，已經(jīng)有一定的研究成果了。Meihui?Li等人報道，在硅片上通過WO_x/W來負載活性組分能夠制備直徑分布為1.3±0.1nm的單壁單壁碳納米管[Meihui?Li,FengYang,Li?Ding,et?al.,Carbon?2017,118,485-492.]。但是在平整基地上的表面生長的單壁碳納米管，雖然純度高，易于調(diào)控，但是生長效率低，無法進行大規(guī)模制備。

結(jié)合以上背景，目前主要面對的問題是：如何在保證低成本，低碳排放的前提下，發(fā)展一種簡便的高導電性的窄直徑分布的單壁碳納米管的宏量制備方法。

發(fā)明內(nèi)容

針對高導電性的窄直徑分布的單壁碳納米管的制備，本發(fā)明以低成本的甲烷為碳源，氮氣作為保護氣體，氧化鎂作為催化劑載體，通過浸漬法以過渡金屬(鐵、鈷、鎳)為活性相，高熔點金屬鎢為摻雜第二金屬來制備雙金屬催化劑，使用常壓CVD法制備窄直徑分布的單壁碳納米管。

為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

一種以甲烷為碳源、高熔點金屬氧化物輔助催化生長窄直徑分布的單壁碳納米管的制備方法，以甲烷為碳源，氮氣作為保護氣體，氧化鎂作為催化劑載體，通過浸漬法以過渡金屬為活性相、高熔點金屬鎢為摻雜第二金屬來制備雙金屬催化劑，使用常壓CVD法制備窄直徑分布的單壁碳納米管。

優(yōu)選地，過渡金屬為鐵、鈷、鎳中的任意一種。

優(yōu)選地，單壁碳納米管的直徑分布為0.9-1.7nm，所制備的單壁碳納米管的金屬性單壁的含量為50％-80％，具有高導電性。

優(yōu)選地，具體步驟如下：