浮動催化法制備碳納米管薄膜的方法
【專利摘要】為克服現(xiàn)有技術中碳納米管薄膜之輩工藝復雜的不足，提供一種浮動催化法制備碳納米管薄膜的方法，本發(fā)明方法工藝簡單，產物高純度、取向性良好，低能耗，低成本，能大量連續(xù)制備碳納米管薄膜的制備方法。包括以下步驟：(1)選取石英作為基底；(2)制備前驅體；(3)前驅體和碳源注入到反應器中；(4)通過無模板的化學氣相沉積法生成碳納米管薄膜。相比現(xiàn)有的技術，本技術方案碳納米管的制備方法有以下優(yōu)點：采用前驅體注射方法制備，工藝簡單。通過對溫度，前驅體等參數(shù)的調整，獲得了高純度、取向性良好的碳納米管陣列。且，制備的碳納米管薄膜中碳納米管分散均勻，韌性和機械強度良好。
【專利說明】淳動催化法制備碳納米管薄膜的方法

【技術領域】
[0001] 本文發(fā)明涉及一種碳納米管薄膜的制備方法。

【背景技術】
[0002] 1991年，lijima在石墨屯弧放電產物中發(fā)現(xiàn)了碳納米管。碳納米管的獨特結構 賦予其眾多奇特性能，隨著不斷深入的研究，其廣闊應用前景不斷顯出來。碳納米管的基本 網格和石墨烯一樣，是由自然界最強的價鍵之一 sp2雜化形成的C = C共價鍵組成，碳納 米管是目前已知材料中是最強的材料，理論和實驗測定其軸向彈性模量接近甚至超過石墨 烯，達lTPa - l.STPa。碳納米管在這些科學領域展現(xiàn)出的廣闊的應用前景，碳納米管的獨 特結構及其力學，電學，熱學等特性使其應用備受關注。碳納米管具有很高的韌性，強導電 性，強場發(fā)射，兼具金屬性和半導體性，在儲氫材料，場發(fā)射，復合材料，陶瓷增韌，分子器件 等眾多領域有著廣泛的應用前景，被科學家稱為"超級纖維"。在科研和產業(yè)應用受到越來 越多的關注。
[0003] 作為碳納米管實際應用的一種重要形式：碳納米管薄膜。碳納米管薄膜被作為新 材料應用眾多領域。而目前碳納米管薄膜的合成方法主要是以下幾種：電弧法，激光法。電 弧法的成本較高，而激光法很難應川于大批量的生產中。而且工藝復雜，制備的碳納米管薄 膜純度低，能耗很大，尤其是被廣泛采用的激光蒸發(fā)法。所制備的碳納米管薄膜韌性差，穩(wěn) 定性差。
[0004] 所以，有必要提供一種碳納米管薄膜的制備方法，具有工藝簡單，產物高純度、取 向性良好，低能耗，低成本，能大量連續(xù)制備碳納米管薄膜，方便大規(guī)模應用。


【發(fā)明內容】

[0005] 為克服現(xiàn)有技術中碳納米管薄膜之輩工藝復雜的不足，提供一種浮動催化法制備 碳納米管薄膜的方法，本發(fā)明方法工藝簡單，產物高純度、取向性良好，低能耗，低成本，能 大量連續(xù)制備碳納米管薄膜的制備方法。
[0006] 本發(fā)明采用的技術方案為：一種碳納米管薄膜的制備方法
[0007] 包括以下步驟：
[0008] (1)選取石英作為基底
[0009] ⑵制備前驅體；
[0010] ⑶前驅體和碳源注入到反應器中；
[0011] (4)通過無模板的化學氣相沉積法生成碳納米管薄膜。通過無模板的化學氣相沉 積法在石英襯底上制備了大面積，高定向性、自支撐的碳納米管陣列。
[0012] 作為優(yōu)選，步驟（1)所述的石英基底用去離子水清洗后用無水乙醇超聲清洗 17min〇
[0013] 作為優(yōu)選，步驟（2)具體步驟為：將二茂鐵溶解在碳源中，超聲分散，形成黃色透 明的溶液。催化劑可以選用Fe族化合物。
[0014] 作為優(yōu)選，步驟（2)具體步驟為：所述的二茂鐵濃度為0. 015g/ml-0. 025g/ml。
[0015] 作為優(yōu)選，所述的碳源為甲苯或二甲苯。
[0016] 作為優(yōu)選，步驟（3)所述的前驅體注入點溫度為250°C;注射速率7. 5ml/h ;輸入點 距爐端的距離為25cm。溫度為250°C實現(xiàn)了源和二茂鐵在輸入點同時蒸發(fā)，均勻混合進入 反應溫區(qū)。
[0017] 作為優(yōu)選，步驟（4)具體步驟為：
[0018] (a)在850°C時，在載氣的攜帶下，碳源和催化劑到達反應區(qū)；二茂鐵在高溫下分 解形成的Fe納米顆粒部分落在石英襯底上；載氣1000/200 (Ar/H2) seem
[0019] (b)反應60min后，停止前驅體的進給，將載氣調整為lOOseem Ar氣，使氣氛爐在 心氣保護下降溫到300°C以下；
[0020] (C)石英片取出，在其表面上有一層黑色碳沉積物。
[0021] 作為優(yōu)選，所述的催化劑和碳源的供給是連續(xù)的，產物的收集也可以是連續(xù)的，所 以比較適合于工業(yè)化生產。
[0022] 相比現(xiàn)有的技術，本技術方案碳納米管的制備方法有以下優(yōu)點：采用前驅體注射 方法制備，工藝簡單。通過對溫度，前驅體等參數(shù)的調整，獲得了高純度、取向性良好的碳納 米管陣列。且，制備的碳納米管薄膜中碳納米管分散均勻，韌性和機械強度良好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明實施例碳納米管薄膜的制備方法的流程示意圖；
[0024] 圖2是本發(fā)明實施例獲得的碳納米管的掃描電鏡照片（C2H2流量為lOOseem);
[0025] 圖3是本發(fā)明實施例獲得的碳納米管的薄膜截面掃描電鏡照片。

【具體實施方式】
[0026] 實施例
[0027] 以下將結合附圖詳細說明本實施例他納米管薄膜的制備方法。
[0028] 請參閱圖1，本實施例碳納米管薄膜的制備方法主要包括以下步驟：
[0029] 步驟一：選取石英作為襯底，并且對襯底進行清洗。
[0030] 本實施例中，具體步驟包括：(a)提供一平整的基底，，本實施例優(yōu)選為采用4英寸 的石英基底；(b)用去離子水清洗石英襯底；（c)用無水乙醇超聲清洗17min。
[0031] 步驟二：制備前驅體。
[0032] 本實施例中，具體步驟包括：(a)用甲苯、二甲苯作為碳源；(b)二茂鐵作為催化 劑；（c)將二茂鐵溶解在碳源中，超聲分散，形成黃色透明的溶液。
[0033] 步驟三：前驅體和碳源注入到反應器中。
[0034] 本實施例中，具體步驟包括：（a)前驅體注入點溫度為250°C; (b)注射速率7. 5ml/ h ; (c)輸入點距爐端的距離為25cm。
[0035] 步驟四：通過無模板的化學氣相沉積法生成碳納米管薄膜。
[0036] 本實施例中，具體步驟包括：(a)在載氣的攜帶下，碳源和催化劑到達反應區(qū)；(b) 二茂鐵在高溫下分解形成的Fe納米顆粒部分落在石英襯底上；（c)在其催化作用下，碳源 裂解的碳原子和碳簇在合適的條件下生成碳納米管；（d)反應60min后，停止前驅體的進 給，將載氣調整為lOOsccm Ar氣，使氣氛爐在心氣保護下降溫到300°C以下；（e)石英片取 出，在其表面上有一層黑色碳沉積物。
[0037] 我們通過大量實驗，大量調整實驗參數(shù)，確定了能制備住高純度，良好取向性碳納 米管薄膜的最佳參數(shù)。并且正確總結出了參數(shù)和碳納米管薄膜性能的變化關系。
[0038] ①：前驅體輸入點溫度
[0039] 本【技術領域】的技術人員應明白，碳納米管薄膜的厚度和致密性與輸入溫區(qū)成正比 關系，隨著輸入溫區(qū)溫度的升高.均有增加的趨勢。其中輸入溫區(qū)為250°C時，薄膜品表面 雜質很少，在薄膜截面亦沒有觀察到其它附著物，表明碳納米管薄膜是由高度純凈的碳納 米管組成的。并且碳納米管的產量較高。說明在石英襯底的位置，二茂鐵和二甲苯分解形 成的Fe/C處于一個合適的比例。
[0040] ②：二茂鐵濃度
[0041] 本【技術領域】的技術人員應明白，對碳納米管薄膜的截面進行觀察，發(fā)現(xiàn)在催化劑 濃度為〇. 〇15g/ml-〇. 025g/ml之間時均可獲得具有取向性的碳納米管薄膜，但是當催化劑 的濃度高于〇. 〇25g/ml和低于0. 015g/mll時，碳納米管薄膜的質量，包括純度和取向性隨 著濃度偏移的增大而迅速下降。所以，在襯底上形成致密的具有催化活性的催化劑顆粒，即 選擇合適的Fe/C是形成碳納米管陣列的先決條件。
[0042] ③：載氣中H2比例
[0043] 本【技術領域】的技術人員應明白，從H2作用于二甲苯熱解化學過程的角度進行了 分析，并且H2吸跗于催化劑顆粒表面，抑制催化劑顆粒在碰撞過程中的相互結合長大，在 相同條件下可以較小粒徑的催化劑顆粒，相應的碳納米管的直徑也相應較小。
[0044] ④：反應溫度
[0045] 在以上實驗的基礎上，保持載氣為500sccmAr和100seemH2，催化劑溶液濃度為 0. 025g/ml和注射速率為7. 5ml/h的條件下，在850°C時.石英襯底位置，二甲苯熱解形成 的碳和二茂鐵分解形成的鐵催化顆粒亦形成一個較佳的比例，從而在此條件下獲得了純凈 的、具有取向性的碳納米管薄膜。本【技術領域】的技術人員應明白，碳納米管薄膜的表面隨著 溫度的變化，而表現(xiàn)為非晶碳顆粒的出現(xiàn)與消失。
[0046] 另外，本實施例中，由于采用了注射法，所以碳納米管在制備的碳納米管薄膜中分 散均勻，有很好的純度，韌性和機械強度。
[0047] 本【技術領域】技術人員還可以在本發(fā)明精神內做其他變化，當然這些依據本發(fā)明精 神所做的變化，都應該在本發(fā)明要求保護的范圍內。
【權利要求】
1. 一種浮動催化法制備納米碳管薄膜的方法，其特征在于： 包括以下步驟： (1) 選取石英作為基底 (2) 制備前驅體； (3) 前驅體和碳源注入到反應器中； (4) 通過無模板的化學氣相沉積法生成碳納米管薄膜。
2. 如權利要求1所述的浮動催化法制備納米碳管薄膜的方法，特點在于：步驟⑴所 述的石英基底用去離子水清洗后用無水乙醇超聲清洗17min。
3. 如權利要求1所述的浮動催化法制備納米碳管薄膜的方法，特點在于：步驟（2)具 體步驟為：將二茂鐵溶解在碳源中，超聲分散，形成黃色透明的溶液。
4. 如權利要求1所述的浮動催化法制備納米碳管薄膜的方法，特點在于：步驟（2)具 體步驟為：所述的二茂鐵濃度為0. 015g/ml-0. 025g/ml。
5. 如權利要求3所述的浮動催化法制備納米碳管薄膜的方法，特點在于：所述的碳源 為甲苯或二甲苯。
6. 如權利要求1所述的浮動催化法制備納米碳管薄膜的方法，特點在于：步驟⑶所 述的前驅體注入點溫度為250°C ;注射速率7. 5ml/h ;輸入點距爐端的距離為25cm。
7. 如權利要求1所述的浮動催化法制備納米碳管薄膜的方法，特點在于：步驟（4)具 體步驟為：(a)在850°C時，在載氣的攜帶下，碳源和催化劑到達反應區(qū)；二茂鐵在高溫下分 解形成的Fe納米顆粒部分落在石英襯底上；所述的載氣為1000/200 (Ar/H2) seem ; (b) 反應60min后，停止前驅體的進給，將載氣調整為lOOseem Ar氣，使氣氛爐在心氣 保護下降溫到300°C以下； (c) 石英片取出，在其表面上有一層黑色碳沉積物。
8. 如權利要求7所述的浮動催化法制備納米碳管薄膜的方法，特點在于：所述的催化 劑和碳源的供給是連續(xù)的。
【文檔編號】C01B31/02GK104098079SQ201310124387
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2013年4月11日 優(yōu)先權日:2013年4月11日
【發(fā)明者】袁健飛, 陸海峰 申請人:袁健飛