一种采用化学气相沉积法批量制备竹节状碳纳米管的方法，属于碳纳米材料合成与应用技术领域。称取二茂铁粉末溶解在酚类有机化合物中配制成反应溶液备用；将基片搭载于石英舟上用金属杆推入密封良好的管式电阻炉石英管反应室里；通入保护气体；加热至７００～９００℃；通过精密流量泵将配好的反应溶液以０．１～０．６ｍＬ／ｍｉｎ的进给速率注入反应室中开始反应，反应２５～４０分钟后停止供应溶液和氢气；将石英管在保护气氛中冷却至室温；在基片和石英管中部均可以收集到黑色沉积物，即为竹节状碳纳米管。本发明专利技术成本降低；可以实现连续生产；本发明专利技术在电化学电容器、锂离子电池、场发射显示、生物传感器等领域均有较强应用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种采用化学气相沉积法批量制备竹节状碳纳米管方法，属于碳纳米材料合 成与应用
技术介绍
自从碳纳米管被发现以来，由于其在电学、力学、光电转换等方面都显示出优异的性能， 使得它们在许多领域都有着广泛的应用前景，比如可用于场发射显示，纳米晶体管, 太阳能电池等领域。根据不同的形态， 可将碳纳米管分为平直碳纳米管、螺旋形 碳纳米管、 Y形碳纳米管、竹节状碳纳米管等。作为碳纳米管家族中比较重要的一个成员，竹节状 碳纳米管由于具有更多的石墨棱面和更大的比表面，与平直碳纳米管相比有更多的表面能够 形成双电层，从而在电化学电容器中有重要的应用前景;同时，竹节状碳纳米管在生物传感器方面也具有很好的应用 前景，其性能要优于单壁碳纳米管。目前在制备竹节状碳纳米管中所采用的方法主要有等离子体增强化学气相沉积法，电弧放电法,射频磁控溅射法，粉末热解法， 基种法,球磨法,爆炸法等。尽管在制备方法上已经取得了长足的进步，但这些方法本身仍存在一些缺点，比如设备昂贵 <formula>complex formula see original document page 4</formula>产量较低<formula>complex formula see original document page 4</formula>、可控性差<formula>complex formula see original document page 4</formula>、不适于连续生产<formula>complex formula see original document page 4</formula>等。另外，竹节状碳纳 米管的产率也较低，产物中混杂有较多的平直碳纳米管和非晶碳等副产物<formula>complex formula see original document page 4</formula>。在碳源的选取方面，已经报道的工作多集中在甲烷<formula>complex formula see original document page 4</formula>、石墨棒<formula>complex formula see original document page 4</formula>、乙酰丙酮酸钌<formula>complex formula see original document page 4</formula>、酞菁铁<formula>complex formula see original document page 4</formula>等，使用酚类有机物作为碳源生长碳纳米管尚未见有报道。基于上述考虑，本专利技术通过选择合适的碳源并探索合适的反应参数，开发出一种工艺简 单，可控性好、产率较高的方法来连续制备竹节状碳纳米管。通过与商业用导电碳黑相比， 发现所制得的竹节状碳纳米管具有更好的循环稳定性和更好的导电性，因而在锂离子电池电 极材料导电添加剂和双电层电容器电极材料方面将具有极好的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种高产率制备竹节状碳纳米管的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤(1) 称取一定量的二茂铁粉末，溶解在酚类有机化合物中，配制成浓度为0. 01 0. 30 g/mL 的反应溶液备用；(2) 将基片搭载于石英舟上，用金属杆将其缓缓推入管式电阻炉的石英管反应室里；(3) 向步骤(2)所述密封良好的石英管反应室中通入保护气体，同时将反应室加热至700 900 °C;(4) 石英管进气端的温度控制在200 400 。C之间；(5) 调整步骤(3)的保护气体流量至1000 3000 mL/min，并通入300 mL/min的氢气；(6) 通过精密流量泵将配好的反应溶液以0. 1 0. 6 mL/min的进给速率注入反应室中开始 反应，反应25 40 min的时间后，停止供应溶液和氢气，降低保护气体流量至100 mL/min， 将石英管在保护气氛中冷却至室温；在基片和石英管中部均可以收集到黑色沉积物，即为竹节状碳纳米管。所述步骤(l)中的酚类有机化合物为含有酚羟基的芳香烃(如甲酚)。 所述步骤(2)中的基片为石英、碳纸或硅片。 所述步骤(3)中的保护气体为氩气、氮气或NH:,。所述步骤(4)中的石英管进气端的温度通过热电偶和控温仪控制在200 400 。C之间。 所述步骤(6)中的反应溶液是通过精密流量泵注入反应室中的，溶液的进给速率为0. l 0. 6 mL/min。所述步骤(6)后所制得的产物为竹节状碳纳米管。本专利技术所用原料为二茂铁/酚类有机物溶液，利用精密流量泵精确连续地将原料溶液供应 到反应室中，相比于粉末挥发法和爆炸法，本反应具有更好的可 控性；同吋原料价廉易得，不需要用到乙酰丙酮酸钌等价格昂贵的试剂，具有成本上的优势。相比于目前使用较多 的基种法，本方法的优势在于可以实现 连续生产；原因在亍基种法的催化剂(如Ni)是在反应之前预先负载到基片上的，只有负载了 催化剂的部分才能生长出碳纳米管，这样就使得产量受到限制，同时也无法实现连续生产。 而本方法所用的催化剂二茂铁是溶解在原料溶液中通过流量泵连续供应的，故可保证反应连 续进行，从而易于实现大批量生产。鉴于上述优势，本方法可以实现高产率竹节状碳纳米管 的连续批量制备，从而为这种材料在电化学电容器、锂离子电池、场发射显示、生物传感器 等领域的应用打下坚实的基础。附图说明图1是本专利技术的实验装置示意图(1):石英管(2):管式电阻炉(3):精密流量泵(4): 反应溶液(5):加热带(6):控温仪(7):基片(8):气体入U (9):尾气出口。图2是以N2为保护气体所制得的产物的典型形貌(a):扫描电子显微镜(SEM)照片 (b):透射电子显微镜(TEM)照片。图3是以Ar为保护气体所制得的产物的典型形貌(a):低倍TEM照片(b):高分辨TEM 照片。图4是将所制得的竹节状碳纳米管(BCNTs)作为锂离子电池负极材料的导电添加剂(添 加量5.0 wty。)时的电化学性能(a)循环稳定性，(b)电化学阻抗谱。具体实施例方式本专利技术提供，在图l所示的实 验装置中进行，实验装置的结构为石英管1放置在管式电阻炉2内，基片7搭载于石英舟上 放入石英管l中，反应溶液瓶4通过精密流量泵3和石英管1进气端连通、加热带5和控温 仪6固定在石英管1进气端的反应溶液入口段，另一控温仪6固定在管式电阻炉2上，测量 石英管l中部的温度，尾气出口9在石英管1的出口端。下面结合附图和实施例对本专利技术予 以进一步说明。实施例l将0.20g二茂铁溶于10mL甲酚中，经超声振荡后形成一棕黄色透明溶液备用；将石英 基片7放在一个石英舟内，然后缓缓推入石英管1反应室中部；将石英管1进气端温度T1设 定在300°C，炉温T2设定在82(TC开始升温，同时往石英管内通入流量为100 mL/min的氮气， 以排出其中的空气;待Tl和T2本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种采用化学气相沉积法批量制备竹节状碳纳米管的方法，其特征在于，包括如下步骤：（１）称取二茂铁粉末溶解在酚类有机化合物中，配制成浓度为０．０１～０．３０ｇ／ｍＬ的反应溶液备用；（２）将基片搭载于石英舟上，用金属杆将其推入密封良好的管式电阻炉石英管反应室里；（３）向步骤（２）所述石英管反应室中通入保护气体，同时将反应室加热至７００～９００℃；石英管进气端的温度控制在２００～４００℃之间；（４）调整步骤（３）的保护气体流量至１０００～３０００ｍＬ／ｍｉｎ，并通入３００ｍＬ／ｍｉｎ的氢气；（５）通过精密流量泵将配好的反应溶液以０．１～０．６ｍＬ／ｍｉｎ的进给速率注入反应室中开始反应，反应２５～４０分钟后，停止供应溶液和氢气，降低保护气体流量至１００ｍＬ／ｍｉｎ，将石英管在保护气氛中冷却至室温；在基片和石英管中部均可以收集到黑色沉积物，即为竹节状碳纳米管。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：康飞宇，吕瑞涛，邹麟，桂许春，顾家琳，韦进全，王昆林，吴德海，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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