[发明专利]一种具有小管束尺寸的单／双壁碳纳米管结构的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及单分散单/双壁碳纳米管的制备技术，具体为一种电场协助电弧放电法合成具有小管束尺寸的单/双壁碳纳米管结构的制备方法。

背景技术

碳纳米管自被发现以来就因其独特的结构和性能获得了巨大关注，理论计算预测单壁碳纳米管依直径和手性的不同而呈现出金属性或半导体性，双壁碳纳米管中两层单壁碳纳米管基本保持了原有的导电性。STM观察结果已经证实了这些预测。但是，通常合成的单/双壁碳管是以大管束的形式存在的。这是因为在单/双壁碳纳米管管壁表面上每个碳原子都有一个未饱和π键，这些键的作用又由于管状结构表面负曲率的特点而得到加强，因此单/双壁碳纳米管管壁与管壁之间有着很强的范德华力作用(每微米长度的接触两管之间的结合力为～500eV)，在范德华力作用下，单/双壁碳纳米管趋向于以束状组合在一起。单/双壁碳纳米管之间聚集成束不仅改变了单壁碳纳米管本征的电子结构，还给后继得到单一尺寸/导电属性单壁碳纳米管而进行的分离过程造成了困难。此外，研究表明管束尺寸(而非碳纳米管直径或手性)对场发射性能起到了决定性的作用，管束尺寸越小，阈值电场越低，具有最小管束尺寸的样品的场发射性能最优异。

宏量获得单根及小管束单/双壁碳纳米管不仅是碳纳米管研究中的重要课题，也是实现其在各领域中应用的关键。目前，多个研究小组探索运用化学法来选择性得到单分散单/双壁碳纳米管；选择性化学官能化之后，利用各种技术，如介电泳、色谱等方法，将单/双壁碳纳米管从管束中分离出来[文献1，Doorn SK，Fields RE，Hu H，Hamon MA，Haddon RC，Selegue JP，Majidi V，J Am Chem Soc.124，3169-3174(2002)；文献2，Farkas E，Anderson ME，Chen ZH，Rinzler AG，Chem Phys Lett.363，111-116(2002)]。但是这些基于液相的化学途径不仅要用到聚合物或表面活性剂，还涉及到多步化学和物理过程，同时这些化学方法还可能对单/双壁碳纳米管掺杂而改变其性能；另外，化学法得到的单根单/双壁碳纳米管通常很短(数十到数百纳米)且易于在液相中再次聚集，这些化学途径的种种弊端限制了单/双壁碳纳米管器件的制备与性能研究。另外，Sun等人探索运用库伦爆炸法得到较小直径的管束，但效率较低[文献3，Liu GT，Zhao YC，Zheng KH，Liu Z，Ma WJ，Ren Y，Xie SS，Sun LF，Nano Lett.9，239-244(2009)]。因此，为进一步促进单/双壁碳纳米管的研究及应用，目前的主要问题是：如何宏量获得高质量、单根及小管束单/双壁碳纳米管样品。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有小管束尺寸的单壁碳纳米管或双壁碳纳米管结构的制备方法，可以宏量获得高质量、单根及小管束单/双壁碳纳米管样品。

本发明是通过以下技术方案实现：

一种具有小管束尺寸的单/双壁碳纳米管结构的制备方法，采用原位施加电场协助电弧放电法制备，包括如下步骤：

(1)采用原位施加电场-直流电弧放电的方式：阴极采用直径为石墨棒或其它导电性碳质材料，阳极为由石墨、催化剂、生长促进剂压制而成的消耗性阳极；阴极与阳极间成20～90°的角度，阴极与阳极间的最短距离为0.5～2mm。

(2)阳极原料中，催化剂选自铁、钴、镍过渡族元素之一种或两种以上混合，加入量为1.0～10.0atm.％(优选为2.0～6.0atm.％)，生长促进剂为硫化亚铁，加入量为0.1～4.0atm.％(优选为0.5～2.0atm.％)，余量为石墨；缓冲气体为氢气或氦气，缓冲气体压力为20～100KPa；电弧为直流放电，直流电流10～300A(优选为90～150A)。

(3)一对平行不锈钢板对称放置于阳极料片的两侧，通过一对平行不锈钢板对电弧区施加电场，原位施加电场的电场强度为50～300V/cm(优选为100～250V/cm)；首先施加电场，而后起弧放电；阳极的石墨、催化剂、生长促进剂共蒸发，生成单壁碳纳米管或双壁碳纳米管；电场作用下，每根单壁碳纳米管或双壁碳纳米管表面均带有电荷，管与管之间的静电排斥力大大增加，阻止了碳纳米管通过范德瓦尔兹力聚集成大管束，从而得到多以单根或小管束形式存在的单壁碳纳米管或双壁碳纳米管。

(4)单壁碳纳米管可控制备的关键条件为：需要使用过渡金属元素镍占主要成分的复合催化剂(镍的摩尔含量在60％以上)，最优催化剂摩尔比：Fe∶Co∶Ni＝1∶1∶5。