專利名稱：一種基于電弧放電法制備單壁碳納米管薄膜的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于電弧放電法制備單壁碳納米管薄膜的裝置。
背景技術(shù)：
單壁碳納米管最初是利用電弧放電法制備出來的，從單壁碳納米管的發(fā)現(xiàn)
到現(xiàn)在已有十幾年的歷史。利用電弧放電法制備的單壁碳納米管(SWCNTs)具 有結(jié)晶性好，制備時間短等特點。隨著碳納米管研究的不斷發(fā)展，許多應(yīng)用方 面的研究非常需要單壁碳納米管薄膜。利用CVD法制成單壁碳納米管，成膜面 積小，結(jié)晶性差，不能滿足應(yīng)用研究的需要。而利用電弧放電法制備大面積單 壁碳納米管薄膜的方法至今還未見報到。如果運用電弧放電方法，即使能制成 單壁碳納米薄膜，也會由于該方法存在的一些問題，而影響薄膜的品質(zhì)和應(yīng)用 效果。已有的研究成果表明，電弧放電法制備單壁碳納米管時，電弧放電產(chǎn)生 的溫度分布范圍大，陽極的石墨在蒸發(fā)時因高溫使其自然擴散，從而使單壁碳 納米碳管產(chǎn)量較低，純度也不高。電弧法制備SWCNTs需要的合成溫度一般高 于1000°C，如何形成一個合適的溫度區(qū)域?qū)τ诤铣筛咂焚|(zhì)、高純度單壁碳納米 管薄膜具有非常重要的意義。眾所周知，單壁碳納米管因其自身具有完美的結(jié) 構(gòu)，決定了它能成為一種具有優(yōu)良的力學(xué)、電學(xué)等各種性能的新型材料，并在 許多領(lǐng)域都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。把單壁碳納米管制成大面積薄膜對于發(fā) 揮其多種優(yōu)異的性能具有重要作用。特別是在復(fù)合材料、場發(fā)射材料、燃料電 池的催化電極膜等方面都迫切需要大面積、高純度、高品質(zhì)的單壁碳納米管薄 膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于電弧放電法制備單壁碳納米管薄膜的裝置。 基于電弧放電法制備單壁碳納米管薄膜的裝置包括電弧放電真空室，電弧 放電真空室與真空泵相連接，電弧放電真空室內(nèi)設(shè)有石墨陰極和石墨陽極，石 墨陰極和石墨陽極與直流電源相連接，其特征在于在石墨陰極和石墨陽極上分 別設(shè)相配合的上球冠形石墨板和下球冠形石墨板，上球冠形石墨板和下球冠形 石墨板形成球冠型電容器。
所述的電極棒為含有金屬催化劑的直徑為6mm石墨電極棒。石墨電極棒的 直徑為8mm。上球冠形石墨板和下球冠形石墨板的曲率半徑為200mm 500mm。 上球冠形石墨板與下球冠形石墨板之間的中心距離為50mm 300mm。球冠形石
3墨板內(nèi)表面的粗糙度為3 3.5)_im。球冠形石墨板的厚度為3mm 6mm。球冠形 石墨板的成膜面積為100 200cm2。直流電源的直流電壓為20 10000V。球冠 形石墨板的內(nèi)表面溫度為1200K 1600K。
本發(fā)明由兩枚大型球冠型石墨極板構(gòu)成的，兩枚極板分別接通直流電源后， 就成為能夠產(chǎn)生電場的球冠型電容器。在這個球冠型電容器上分別安裝石墨電 極，其中，在下面球冠石墨極板上安裝含有金屬催化劑的陽極石墨棒，在上面 的球冠石墨陰極板上安裝石墨電極棒。在對石墨電極實施電弧放電時，因放電 產(chǎn)生的高溫蒸發(fā)石墨棒陽極形成碳離子，碳離子在合成單壁碳納米管的擴散過 程中，因球冠型電容器上面石墨極板具有負電位而被吸引，同時，利用兩枚球 冠型電容器的石墨電極形成的空間可以改變碳離子擴散形式，從而使合成的單 壁碳納米管，能夠以大面積(100 150cm2)薄膜的形式均勻附著于陰極球冠石 墨極板的內(nèi)表面上。薄膜的厚度根據(jù)需要可以進行控制，膜厚在數(shù)微米到1毫 米量級之間，制備出的單壁碳納米管薄膜的轉(zhuǎn)化率達到了 75%以上，薄膜中單 壁碳納米管的純度在55%以上。


圖1為電弧放電法制備單壁碳納米管薄膜的裝置圖2為使用氧化釔和鎳粉二元催化劑，制備的單壁碳納米管薄膜的場發(fā)射 掃描電子顯微鏡照片，薄膜表面有大量的單壁碳納米管束，同時也存在一些催
化齊,粒；
圖3為使用氧化釔和鎳粉二元催化劑，制備的單壁碳納米管薄膜的高分辨
透射電子顯微鏡照片，在單壁碳納米管束中，每根單壁碳納米管清晰可見，白
色短線所標記的為一根直徑為1.20nm的單壁碳納米管；
圖4為單壁碳納米管薄膜的拉曼光譜圖(在室溫下激發(fā)波長為488 nm)。由 1339 cm^的無定形碳峰與1583 cm—1近旁的單壁碳納米管特征峰值強度對比可 以看出，單壁碳納米管薄膜中只含有微量的無定形碳，低頻區(qū)150 210 cm一1 的呼吸振動膜的峰值可求出單壁碳納米管的平均直徑為1.26nm;
圖5為單壁碳納米管薄膜的熱重分析圖，壁碳納米管的氧化溫度為460 650 °C，由此可知薄膜中單壁碳納米的含量為55%。
具體實施例方式
本發(fā)明通過一套裝置包括真空室，真空室與真空泵相連接，真空室內(nèi)設(shè)有 石墨陰極和石墨陽極，石墨陰極和石墨陽極與直流電源相連接，其特征在于在 石墨陰極和石墨陽極上分別設(shè)相配合的上球冠形石墨板和下球冠形石墨板，構(gòu)成球冠型電容器(包括平板式電容器)的裝置，實現(xiàn)制備大面積、高品質(zhì)單壁 碳納米管薄膜的目標。本方法的特征是把陰極石墨棒和含有金屬催化劑的陽極 石墨棒的電弧放電在兩枚球冠型石墨極板形成的空間內(nèi)進行。放電過程中，由 于兩枚球冠型石墨極板之間始終存在電場，因此，處于負電位的球冠型石墨陰 極板，具有吸引碳離子的性質(zhì)。另一方面，由于兩枚球冠型石墨極板形成的空 間，改變了碳離子等的擴散形態(tài)，增加了單壁碳納米管的合成幾率。同時，在 真空室充入惰性氣體氛圍和一定壓力下，電弧放電產(chǎn)生的高溫蒸發(fā)了含有金屬 催化劑的石墨陽極棒，此時，碳離子因電場的作用和特定的氣體擴散形式，合 成的單壁碳納米管就以均勻的薄膜形式，幾乎全部附著在上球冠形石墨陰極板
的內(nèi)表面上。這種單壁碳納米管薄膜具有大面積(100 200cm2)、高純度(55 %)、高品質(zhì)的特點，而且，單壁碳納米管薄膜的厚度也可以根據(jù)需要進行控制， 膜厚在數(shù)微米到1毫米量級之間。對實施例中合成的單壁碳納米管薄膜樣品經(jīng) 場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FSEM)和高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)的觀察， 拉曼(Raman)光譜表征及熱重分析(TGA)的研究與測試表明，制備出的單壁 碳納米管的轉(zhuǎn)化率達到了75%以上，純度在55%以上，平均直徑為1.27nm，長 度為數(shù)微米量級。其設(shè)備圖、電鏡照片和測試曲線見附圖1 5。
如圖1所示，基于電弧放電法制備單壁碳納米管薄膜的裝置包括電弧放電 真空室3，電弧放電真空室與真空泵6相連接，電弧放電真空室內(nèi)設(shè)有石墨陰極 5和石墨陽極4，石墨陰極和石墨陽極與直流電源7相連接，其特征在于在石墨 陰極5和石墨陽極4上分別設(shè)相配合的上球冠形石墨板1和下球冠形石墨板2， 上球冠形石墨板1和下球冠形石墨板2形成球冠型電容器。
所述的電極棒4為含有金屬催化劑的直徑為6mm石墨電極棒。石墨電極棒 5的直徑為8mm。上球冠形石墨板1和下球冠形石墨板2的曲率半徑為200mm 500mm。上球冠形石墨板1與下球冠形石墨板2之間的中心距離為50mm 300mm。球冠形石墨板內(nèi)表面的粗糙度為3 3.5pm。冠形石墨板的厚度為 3mm 6mm。球冠形石墨板的成膜面積為100 200cm2。直流電源5的直流電壓 為20 10000V。球冠形石墨板的內(nèi)表面溫度為1200K 1600K。
制備單壁碳納米薄膜的實驗條件是以Fe、 Co、 Ni、 Y、 Mo中的一種或兩種 以上組合混合成均勻的粉末，以一定比例與石墨粉混合，填充到直徑為6mm的 石墨棒中制備成復(fù)合石墨陽極，陰極使用直徑為8mm的石墨棒，也可直接使用 圓弧形石墨板陰極。氛圍氣體為高純He氣或Ar氣，壓力在50 600Torr之間， 通過陽極的電流在50 100A之間。石墨陰陽電極在球冠形電容器形成的空間內(nèi)實施電弧放電后，在上球冠形陰極石墨極板的內(nèi)表面上形成了單壁碳納米管薄 膜。
實施例h
使用氧化釔(Y203)和鎳(NO粉二元催化劑，與石墨粉的質(zhì)量比￥203: Ni: C二5: 2: 5，充入0>6x50mm的石墨棒內(nèi)，以之為復(fù)合石墨陽極，放電電 流為70A，壓強為600Torr的條件下實施電弧放電2min，可在圓弧形石墨板陰 極上收集到質(zhì)量為110mg、面積達200cr^的單壁碳納米管薄膜(膜后約0.3mm)。
實施例2:使用氧化釔(Y203)和鎳(Ni) 二元催化劑，與石墨粉的質(zhì)量比 Y203: Ni: C = 5: 2: 5，①6x50mm的石墨棒，以之為復(fù)合石墨陽極，放電電流 為60A，壓強為400Torr的條件下實施電弧放電2min，在圓弧形石墨板陰極上 收集到質(zhì)量為40mg，面積達80cii^的單壁碳納米管薄膜(膜后約0.3mm)。
權(quán)利要求
1. 一種基于電弧放電法制備單壁碳納米管薄膜的裝置，包括電弧放電真空室(3)，電弧放電真空室與真空泵(6)相連接，電弧放電真空室內(nèi)設(shè)有石墨 陰極(5)和石墨陽極(4)，石墨陰極和石墨陽極與直流電源(7)相連接，其 特征在于在石墨陰極(5)和石墨陽極(4)上分別設(shè)相配合的上球冠形石墨板(1)和下球冠形石墨板(2)，上球冠形石墨板(1)和下球冠形石墨板(2) 形成球冠型電容器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電弧放電法制備單壁碳納米管薄膜的裝 置，其特征在于所述的電極棒(4)為含有金屬催化劑的直徑為6mm石墨電極 棒。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電弧放電法制備單壁碳納米管薄膜的裝 置，其特征在于所述的石墨電極棒(5)的直徑為8mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備單壁碳納米管薄膜的球冠型電容器裝置，其 特征在于上球冠形石墨板(1)和下球冠形石墨板(2)的曲率半徑為200mm 500mm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備單壁碳納米管薄膜的球冠型電容器裝置，其 特征在于所述的上球冠形石墨板(1)與下球冠形石墨板(2)之間的中心距離 為50nnn^^30()innio
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備單壁碳納米管薄膜的球冠型電容器裝置，其 特征在于所述的球冠形石墨板內(nèi)表面的粗糙度為3 3.5pm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備單壁碳納米管薄膜的球冠型電容器裝置，其 特征在于所述的球冠形石墨板的厚度為3mm 6mm。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備單壁碳納米管薄膜的球冠型電容器裝置，其 特征在于所述的球冠形石墨板的成膜面積為100 200cm2。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備單壁碳納米管薄膜的球冠型電容器裝置，其 特征在于所述的直流電源(5)的直流電壓為20 10000V。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備單壁碳納米管薄膜的球冠型電容器裝置，其 特征在于所述球冠形石墨板的內(nèi)表面溫度為1200K 1600K。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于電弧放電法制備單壁碳納米管薄膜的裝置。它包括電弧放電真空室，電弧放電真空室與真空泵相連接，電弧放電真空室內(nèi)設(shè)有石墨陰極和石墨陽極，石墨陰極和石墨陽極與直流電源相連接，其特征在于在石墨陰極和石墨陽極上分別設(shè)相配合的上球冠形石墨板和下球冠形石墨板，上球冠形石墨板和下球冠形石墨板形成球冠型電容器。本發(fā)明使合成的單壁碳納米管，能夠以大面積(100～200cm²)薄膜的形式均勻附著于陰極球冠石墨極板的內(nèi)表面上。薄膜的厚度根據(jù)需要可以進行控制，膜厚在數(shù)微米到1毫米量級之間，制備出的單壁碳納米管薄膜的轉(zhuǎn)化率達到了75％以上，薄膜中單壁碳納米管的純度在55％以上。
文檔編號C23C14/06GK101311295SQ20081005955
公開日2008年11月26日 申請日期2008年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月31日
發(fā)明者敏 葉, 尚學(xué)府, 曲紹興, 李振華, 淼 王, 沛 趙 申請人:浙江大學(xué)