專利名稱：一種生產(chǎn)碳納米管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種生產(chǎn)碳納米管的方法。
背景技術(shù)：
碳納米管具有奇異的物理化學性能，如獨特的金屬或半導體導電性、極高的機械強度、儲氫能力、吸附能力和較強的微波吸收能力等，90年代初一經(jīng)發(fā)現(xiàn)即刻受到物理、化學和材料科學界以及高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)部門的極大重視。碳納米管要實現(xiàn)工業(yè)應用，首先必須解決碳納米管的低成本大量制備問題。碳納米管自1991年被發(fā)現(xiàn)以來，其制備工藝得到了廣泛研究。目前，有三種主要的制備方法，即電弧放電法、激光燒蝕法和化學氣相沉積法。電弧放電法和激光燒蝕法制得的產(chǎn)物中，碳納米管均與其它形態(tài)的碳產(chǎn)物共存，分離純化困難，收率較低，且難以規(guī)?；?。第三種化學氣相沉積法，由天然氣制備的碳納米管具有工藝簡便、成本低、納米管規(guī)模易控制、長度大、收率較高等優(yōu)點，有重要的研究價值?？蓱迷趫霭l(fā)射顯示器件、電真空器件、納米電子學、以及高強度復合材料等方面。
但目前任何一種大量制備的方法都不能控制產(chǎn)物中碳納米管的長度，且生產(chǎn)出的碳納米管往往糾結(jié)成團，難于分散，不利于碳納米管在場發(fā)射、復合增強材料等領(lǐng)域的實際應用。因此，提供一種生產(chǎn)長度一致，長度可控，無糾結(jié)容易分散的碳納米管的方法實為必要。

發(fā)明內(nèi)容為了解決現(xiàn)有技術(shù)中不能控制碳納米管的長度，且生產(chǎn)出的碳納米管糾結(jié)成團，難于分散的問題，本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)長度一致，長度可控，無糾結(jié)容易分散的碳納米管的方法。
為解決此技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種生產(chǎn)碳納米管的方法，其包括步驟(1)提供一基底；(2)在基底上沉積催化劑；(3)在預定溫度下，使催化劑與碳源氣接觸一定時間使得特定長度的碳納米管陣列基本垂直于基底長出；(4)將所得的碳納米管從基底取下。
本發(fā)明的進一步改進在于于上述步驟(4)后將所得碳納米管置于分散溶液中進行超聲分散。
與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明利用化學氣相沉積方法，以碳納米管陣列的方式實現(xiàn)了制備長度一致，長度可控，無糾結(jié)容易分散的碳納米管。

圖1是本發(fā)明沉積催化劑在基底的示意圖；圖2是本發(fā)明的催化劑經(jīng)退火處理后的示意圖；圖3是本發(fā)明將帶有催化劑的基底置于反應爐中通入反應氣體生長碳納米管的示意圖；圖4是本發(fā)明將碳納米管從基底刮下的示意圖；圖5是本發(fā)明的碳納米管陣列在分散溶液中超聲作用后的透射電子顯微鏡照片；圖6是本發(fā)明的碳納米管陣列在分散溶液中超聲作用后的透射電子顯微鏡照片，其中碳納米管被分散成為單根的碳納米管；圖7、8、9和10分別是本發(fā)明不同高度的碳納米管陣列。
具體實施方式
本發(fā)明利用化學氣相沉積法，以碳納米管陣列的方式實現(xiàn)生產(chǎn)長度一致，長度可控，無糾結(jié)容易分散的碳納米管。制備過程如下(1)請參閱圖1，提供一硅片或石英片作為可反復使用的基底3；(2)用電子束蒸鍍、濺射或液體涂敷的方法將催化劑1沉積在基底3的單面或雙面，使其形成4～10nm厚的金屬催化劑薄膜11，催化劑1可選擇鐵、鎳、鈷等；(3)請參閱圖2，在溫度300℃～500℃，空氣氣氛下，對催化劑薄膜11進行8～12小時的退火處理，使其收縮為分立的納米級顆粒12；(4)請參閱圖3，將帶有催化劑顆粒12的多片基底3同時放進反應爐4；(5)通入保護氣體(未標示)，同時將反應爐4加熱至600～1000℃；(6)然后通入保護氣體與碳源氣(未標示)，保護氣體可為氬、氮或氦等，碳源氣可為乙炔、甲烷、乙烯等；(7)約15秒～40分鐘后，高度一定的碳納米管陣列在基底表面長出；(8)將反應爐4冷卻至室溫；(9)請參閱圖4，取出基底3，碳納米管5可用刀片6刮下，同樣亦可用細絲或高壓氣體吹下，基底3則直接再次生長或清洗、再次鍍膜備用。
視需要可將所得的碳納米管5放在乙醇、1-2二氯乙烷等分散溶液中超聲分散。
由于陣列中的碳納米管5基本為平行排列，無糾結(jié)，可輕易得到分散極好的單根碳納米管。如圖5、6所示，本發(fā)明的碳納米管5已基本無糾結(jié)，可超聲分散成為單根的碳納米管或小直徑管束。
另外，通過控制生長條件如反應時間與反應溫度，可以生長所需要的特定高度的碳納米管陣列，由此得到的碳納米管5將具有所需要的精確長度，如圖7、8、9和10所示。
實施例一生長長度為10μm的碳納米管陣列于一多孔硅基底上沉積上5nm厚的鐵催化劑膜，然后將沉積有鐵的基底在空氣中400℃退火10小時，然后將基底放在石英反應舟里送入石英管反應爐的中央反應室中，在氬氣的保護下，將反應爐加熱到690℃后，通入乙烯氣，反應15秒，然后將反應爐冷卻到室溫，得長度為10μm的碳納米管陣列。
實施例二生長長度為100μm的碳納米管陣列于一多孔硅基底上沉積上5nm厚的鐵催化劑膜，然后將沉積有鐵的基底在空氣中400℃退火10小時，然后將基底放在石英反應舟里送入石英管反應爐的中央反應室中，在氬氣的保護下，將反應爐加熱到690℃后，通入乙烯氣，反應5分鐘，然后將反應爐冷卻到室溫，得長度為100μm的碳納米管陣列。
實施例三生長長度為500μm的碳納米管陣列于一多孔硅基底上沉積上5nm厚的鐵催化劑膜，然后將沉積有鐵的基底在空氣中400℃退火10小時，然后將基底放在石英反應舟里送入石英管反應爐的中央反應室中，在氬氣的保護下，將反應爐加熱到710℃后，通入乙烯氣，反應10分鐘，然后將反應爐冷卻到室溫，得長度為500μm的碳納米管陣列。
經(jīng)過實驗確證，碳納米管陣列的密度可達0.1g/cm3。以生長100μm高度的陣列計算，能夠同時放置30片4-inch(25.4mm)硅片基底(單面鍍催化劑)的反應爐可一次生產(chǎn)約2.4克的100μm長碳納米管，一次生長過程耗時約5分鐘左右。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)碳納米管的方法，其特征在于包括步驟(1)提供一基底；(2)在基底上沉積催化劑；(3)在預定溫度下，使催化劑與碳源氣接觸一定時間使得特定長度的碳納米管陣列基本垂直于基底長出；(4)將所得的碳納米管從基底取下。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)碳納米管的方法，其特征在于在步驟(4)后將所得碳納米管置于分散溶液中進行超聲分散。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)碳納米管的方法，其特征在于在步驟(2)中所用的催化劑為鐵、鈷或鎳。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的生產(chǎn)碳納米管的方法，其特征在于步驟(2)包括使催化劑于基底上形成4～10nm的薄膜，然后在溫度300℃～500℃下，對催化劑薄膜進行8～12小時的退火處理，使得薄膜氧化收縮為分立的納米級顆粒。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)碳納米管的方法，其特征在于在步驟(3)中預定溫度為600～1000℃。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的生產(chǎn)碳納米管的方法，其特征在于在步驟(3)中碳源氣可選擇乙炔、甲烷或乙烯。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的生產(chǎn)碳納米管的方法，其特征在于步驟(3)包括通入保護氣體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)碳納米管的方法，其特征在于步驟(3)包括在溫度690℃使乙烯與鐵催化劑接觸15秒使得高度為10μm的碳納米管陣列基本垂直于基底長出。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)碳納米管的方法，其特征在于步驟(3)包括在溫度690℃使乙烯與鐵催化劑接觸5分鐘使得高度為100μm的碳納米管陣列基本垂直于基底長出。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)碳納米管的方法，其特征在于步驟(3)包括在溫度710℃使乙烯與鐵催化劑接觸10分鐘使得高度為500μm的碳納米管陣列基本垂直于基底長出。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)碳納米管的方法，此方法包括(1)提供一基底；(2)在基底上沉積催化劑；(3)在預定溫度下，使催化劑與碳源氣接觸一定時間使得特定長度的碳納米管陣列基本垂直于基底長出；(4)將所得的碳納米管從基底取下。與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明利用化學氣相沉積方法，以碳納米管陣列的方式實現(xiàn)了制備長度一致，長度可控，無糾結(jié)容易分散的碳納米管。
文檔編號C01B31/02GK1504407SQ02152109
公開日2004年6月16日 申請日期2002年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月29日
發(fā)明者范守善, 劉亮, 姜開利 申請人:清華大學, 鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司