專利名稱：直徑可控單壁碳納米管的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種納米材料技術領域的制備方法，尤其是一種采用電弧放電法的直 徑可控單壁碳納米管的制備方法。
背景技術：
碳納米管(Carbon nanotubes ；CNT)因具有卓越的機械、熱學性能和獨特的電學 性能，因此在材料科學、化學、物理學、電子學以及其他交叉學科領域中，均具有極其廣泛的 應用前景，目前將碳納米管已經被應用于納電子器件、場發射技術、生物載藥、儲氫技術等 等諸多領域。碳納米管可分為單璧碳納米管(SWNT)、雙璧碳納米管(DWNT)和多壁碳納米管 (MWNT)。其中SWNT作為優良的準一維納米材料，因其具有較高的載流子遷移率而被用作制 造場效應晶體管、薄膜晶體管等納電子器件，有望取代硅材料而成為下一代微電子器件的 關鍵材料。眾所周知，單壁碳納米管的光學、電學性質取決于它們的直徑和手性分布，根據 直徑和手性的不同，SWNT表現為金屬性和半導體性。而且半導體性SWNT的帶隙也與其直 徑大小有一定的關系。但是，傳統方法制備的SWNT產物中，SWNT具有較寬的直徑分布，金 屬性和半導體性SWNT混合在一起，因而其光學、電學性能變化比較大。因此如何通過各種 技術控制SWNT的直徑和手性分布，制備直徑可控的單壁碳納米管是解決采用SWNT大規模 制造SWNT基納電子器件的關鍵技術之一。近幾年來，很多研究者致力于直徑可控的單壁碳納米管的制備研究(M. G. Hahm, Y. K. Kwon, E.Lee, C. W. Ahn, Y. J. Jung. Diameter selective growth of vertically aligned singlewalled carbon nanotubes and study on their growth mechanism. J. Phys. Chem. C 2008，112 (44)，17143-17147)，其主要手段是通過化學氣相沉積法(CVD) 控制催化劑大小、碳源或生長條件等來實現單壁碳納米管的窄直徑分布。但由于CVD法所 制備的SWNT存在缺陷，對SWNT的電性能有影響。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提供了一種直徑可控單壁碳納米管的 制備方法。通過向緩沖氣體中混合一氧化碳氣體來控制單壁碳納米管直徑的分布，所制的 單壁碳納米管產品直徑可控，保證了 SWNT基晶體管的性能一致性和高電子遷移率。本發明是通過以下技術方案實現，本發明包括以下步驟步驟一以過渡金屬為催化劑，將催化劑與99. 99%的高純石墨粉按比例充分混 合后制得直徑為6mm的陽極石墨棒，陰極采用直徑為8mm的純石墨棒。所述過渡金屬催化劑為鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、釔⑴的一種或幾種混合物或者 化合物。所述過渡金屬催化劑摩爾百分比為1 % 6%。所述陽極棒是將催化劑與99. 99%高純石墨粉按比例充分混合后填棒制得。所述陽極棒是將催化劑與99. 99%高純石墨粉按比例充分混合后加粘結劑擠壓成棒并燒結制得。步驟二 將步驟一所制備的陽極石墨在充有含一氧化碳的緩沖氣體的電弧室內與 陰極石墨棒正對，進行電弧放電。通過控制陰陽兩極間的放電電流和放電電壓和一氧化碳 壓力，即可制得直徑可控的單壁碳納米管。所述一氧化碳的壓力為8 30kPa。所述緩沖氣體為氦、氬、氫等氣體或它們的混合氣體，氣壓為10 30kPa。所述放電電弧的電壓為40 80V，電流60 110A。與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果本發明通過調節緩沖氣體中一氧 化碳氣體壓力，利用電弧放電法可以大量制備直徑可控的單壁碳納米管，從而保證單壁碳 納米管在光學、電學性能的均一性，同時兼具電弧法制備單壁碳納米管的低缺陷特點，將為 制備高性能SWCNT基納米器件提供更有利的保障。該發明工藝簡單、產率高，便于大規模推 廣與應用。
圖1為實施例1所制備的單壁碳納米管的掃描電鏡(SEM)照片；圖2為實施例1所制備的單壁碳納米管的投射電鏡(TEM)照片；圖3為對比例所制備的單壁碳納米管的拉曼光譜圖；圖4為實施例1所制備的單壁碳納米管的拉曼光譜圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的實施例作詳細說明以下實施例在以本發明技術方案為 前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施 例。對比例步驟一以高純石墨粉、Ni粉、Y2O3粉為原料，按照摩爾比(C Ni Y為 94 4.8 1.2)，混合均勻后加入25wt%煤焦油混合擠壓成直徑為6mm的石墨棒，然后放 入氮氣保護的高溫爐中1000°C處理2小時，即制得陽極石墨棒。步驟二以步驟一所制陽極棒，直徑為8mm純石墨棒作為陰極，電弧放電在通有 30kPa氦氣的電弧室中進行。放電電流為80 90A，電壓為50 60V。放電時間為5分鐘， 制得約0. 6g單壁碳納米管。所制備產物的拉曼光譜圖如3所示，通過計算得出產物中直徑 為 1. 71nm、1. 49nm、1. 35nm 禾口 1. 28nm。實施例1步驟一以高純石墨粉、Ni粉、Y2O3粉為原料，按照摩爾比(C Ni Y為 94 4.8 1.2)，混合均勻后加入25wt%煤焦油混合擠壓成直徑為6mm的石墨棒，然后放 入氮氣保護的高溫爐中1000°C處理2小時，即制得陽極石墨棒。步驟二以步驟一所制陽極棒，直徑為8mm純石墨棒作為陰極，電弧放電在通有 18kPa氦氣和12kPa—氧化碳氣體的電弧室中進行。放電電流為80 90A，電壓為50 60V。放電時間為10分鐘，制得約Ig窄直徑分布的單壁碳納米管。所制備產物的拉曼光譜 圖如4所示，與對比例對照可以看出，直徑較小的單壁碳納米管(1.35nm、1.28nm)消失、只
4剩下直徑較大的單壁碳納米管(1. 71nm、l. 49nm)。實施例2步驟一以高純石墨粉、Fe粉為原料，按照摩爾比(C Fe為99 1)，混合均勻后 加入25wt%煤焦油混合擠壓成直徑為6mm的石墨棒，然后放入氮氣保護的高溫爐中1000°C 處理2小時，即制得陽極石墨棒。步驟二以步驟一所制陽極棒，直徑為8mm純石墨棒作為陰極，電弧放電在通有 12kPa氫氣、18kPa氬氣和8kPa—氧化碳氣體的電弧室中進行。放電電流為60 70A，電壓 為60 70V。放電時間為12分鐘，制得約0. Sg窄直徑分布的單壁碳納米管。實施例3步驟一以高純石墨粉、Ni粉、Co粉、Fe粉為原料，按照摩爾比(C Ni Co Fe 為95.8 3 0.6 0.6)，混合均勻后填充于內徑4mm，深5cm的6mm石墨棒中，即為陽極
石墨棒。步驟二以步驟一所制陽極棒，直徑為8mm純石墨棒作為陰極，電弧放電在通有 8kPa氫氣、12kPa氬氣和IOkPa—氧化碳氣體的電弧室中進行。放電電流為100 110A，電 壓為40 50V。放電時間為5分鐘，制得約0. 6g窄直徑分布的單壁碳納米管。實施例4以高純石墨粉、Ni粉、Y2O3粉為原料，按照摩爾比(C Ni Y為94. 8 4. 2 1)， 混合均勻后填充于內徑4mm，深4cm的6mm石墨棒中，即為陽極石墨棒。步驟二以步驟一所制陽極棒，直徑為8mm純石墨棒作為陰極，電弧放電在通有 18kPa氦氣和12kPa —氧化碳氣體的電弧室中進行。放電電流為100 110A，電壓為60 70V。放電時間為4分鐘，制得約0. 6g窄直徑分布的單壁碳納米管。
權利要求
一種直徑可控單壁碳納米管的制備方法，其特征在于，包括如下步驟步驟一以過渡金屬為催化劑，將催化劑與99.99％的石墨粉按比例充分混合后制得直徑為6mm的陽極棒，陰極采用直徑為8mm的純石墨棒；步驟二將陽極石墨在充有含一氧化碳的緩沖氣體的電弧室內與陰極石墨棒正對，進行電弧放電；通過控制陰陽兩極間的放電電流和放電電壓和一氧化碳壓力，即可制得直徑可控的單壁碳納米管。
2.根據權利要求1所述的直徑可控單壁碳納米管的制備方法，其特征在于所述過渡 金屬催化劑為鐵、鈷、鎳、釔的一種或幾種混合物或者化合物。
3.根據權利要求1所述的直徑可控單壁碳納米管的制備方法，其特征在于所述過渡 金屬催化劑摩爾百分數為 6%。
4.根據權利要求1所述的直徑可控單壁碳納米管的制備方法，其特征在于所述陽極 棒的制備方法為原料混合后填棒制得或混合后加粘結劑擠壓成棒。
5.根據權利要求1所述的直徑可控單壁碳納米管的制備方法，其特征在于所述一氧 化碳，其氣壓為8 30kPa。
6.根據權利要求1所述的直徑可控單壁碳納米管的制備方法，其特征在于所述緩沖 氣體有氦、氬、氫等氣體或它們的混合氣體，氣壓為10 30kPa。
7.根據權利要求1所述的直徑可控單壁碳納米管的制備方法，其特征在于所述放電 電弧的電壓為40 80V，電流60 110A。
全文摘要
一種納米材料技術領域的直徑可控單壁碳納米管的制備方法，包括如下步驟步驟一以過渡金屬為催化劑，將催化劑與99.99％的石墨粉按比例充分混合后制得直徑為6mm的陽極棒，陰極采用直徑為8mm的純石墨棒；步驟二將陽極石墨在充有含一氧化碳的緩沖氣體的電弧室內與陰極石墨棒正對，進行電弧放電；通過控制陰陽兩極間的放電電流和放電電壓和一氧化碳壓力，即可制得直徑可控的單壁碳納米管。本發明的方法工藝簡單、單壁碳納米管管徑可控、便于大規模制備。
文檔編號B82B3/00GK101905880SQ20101023432
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月23日 優先權日2010年7月23日
發明者張亞非, 楊志, 蘇言杰, 魏浩 申請人:上海交通大學