一种(2m，m)碳纳米管水平阵列及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种(2m，m)碳纳米管水平阵列及其制备方法。所述方法包括如下步骤：将铵盐转移至基底上，然后进行退火处理，铵盐为钼酸铵或钨酸按；采用氢气对铵盐进行还原；还原步骤结束后，向反应容器中通入碳源气进行生长，即得。本发明专利技术(2m，m)碳纳米管水平阵列，其中的碳纳米管的管径为0.7～1.3nm，长度为100～300μm。本发明专利技术采用的催化剂为碳化物，其催化活性较高，较现有的金属催化剂具有更高的活性，这是本发明专利技术能够获得密度较高的碳纳米管的关键。本发明专利技术采用的催化剂碳化钼的熔点较高，能够保持固体形态，因此能够获得手性选择性极高的碳纳米管。本发明专利技术选用单晶基底作为生长基底，由于单晶基底具有二重对称性，因此生长得到的碳纳米管具有很高的阵列性。

【技术实现步骤摘要】
一种(2m，m)碳纳米管水平阵列及其制备方法
本专利技术涉及一种碳纳米管水平阵列及其制备方法，具体涉及一种(2m，m)碳纳米管水平阵列及其制备方法。
技术介绍
碳纳米管具有丰富的结构和电子能带，因此在很多领域都有着较大的潜在应用价值，然而阻碍碳纳米管走向实际应用的重大问题之一是碳纳米管的结构可控制备。制备具有较好均一性，甚至单手性的碳纳米管是目前碳纳米管制备的巨大挑战。同时，在纳电子学中，往往需要碳纳米管能够自成水平阵列，且密度越高越好。实际报道中，低温(700℃左右)虽然能够获得一定手性选择性(小于60％)的碳纳米管，但是碳纳米管的质量较差，同时不能够成水平阵列。此外，目前报道的利用固体合金催化剂制备单手性(12，6)碳纳米管，其生长效率很低，尽管获得的碳纳米管具有很高选择性，但是仍不呈水平阵列。综上，获得高手性选择性的碳纳米管水平阵列是一个巨大的挑战。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种(2m，m)碳纳米管水平阵列及其制备方法，本专利技术制备的(2m，m)碳纳米管水平阵列的密度高，且手性选择性高。本专利技术所提供的(2m，m)碳纳米管水平阵列的制备方法，包括如下步骤：1)将铵盐转移至基底上，然后进行退火处理；2)采用氢气对所述铵盐进行还原；3)所述还原步骤结束后，向反应容器中通入碳源气进行生长，即得所述(2m，m)碳纳米管水平阵列。本专利技术(2m，m)型碳纳米管水平阵列中，m为1～6之间的自然数，具体可为4或6。上述的制备方法中，步骤1)中，所述铵盐可为钼酸铵或钨酸铵。上述的制备方法中，步骤1)中，转移所述铵盐的方式为：将铵盐的醇溶液旋涂于所述基底上，具体可采用铵盐的乙醇溶液；所述铵盐的醇溶液的摩尔浓度可为0.01～0.1mM，具体可为0.05mM；所述旋涂的速率可为2300～2800r/min，如2500r/min。上述的制备方法中，步骤1)中，所述基底可为单晶基底，如采用单晶α-氧化铝基底。上述的制备方法中，步骤1)中，所述退火处理的条件如下：温度可为800～1200℃，具体可为1000～1100℃、1000℃或1100℃；时间可为6～10小时，具体可为8小时；通过所述退火处理，使催化剂前驱体(铵盐)充分氧化并铺展于所述基底上。上述的制备方法中，步骤2)中，所述还原的条件如下：氢气的流速可为100～200sccm，具体可为200sccm；温度可为400～800℃，具体可为450℃或800℃；时间可为5～20分钟，具体可为5～10分钟、5分钟或10分钟；通过所述还原步骤，将所述铵盐还原为固体金属粒子，即为生长碳纳米管水平阵列的前驱体。上述的制备方法中，步骤3)中，所述碳源气可为乙烯、乙炔或乙醇蒸气；所述碳源气的通入方式为下述1)或2)：1)当所述碳源气为乙烯或乙炔，采用直接引入的方式；2)当所述碳源气为乙醇蒸气，采用氩气引入的方式。上述的制备方法中，步骤3)中，所述碳源气的通入速率可为50～150sccm，如100sccm。上述的制备方法中，步骤3)中，所述生长的条件如下：温度可为800～900℃，如850℃；时间可为15～30min，如15min或30min。本专利技术上述方法制备得到的(2m，m)碳纳米管水平阵列也属于本专利技术的保护范围。本专利技术具体提供了(8，4)碳纳米管水平阵列和(12，6)碳纳米管水平阵列。本专利技术提供的(2m，m)碳纳米管水平阵列的手性选择性可达80％～90％以上。本专利技术提供的(2m，m)碳纳米管水平阵列的密度较高，每微米基底上10～30根。本专利技术提供的(2m，m)碳纳米管水平阵列，其中的碳纳米管的管径为0.7～1.3nm，长度为100～300μm。与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：1)本专利技术方法采用的催化剂为碳化物，其催化活性较高，较现有的金属催化剂具有更高的活性，这是本专利技术能够获得密度较高的碳纳米管的关键。2)本专利技术方法采用的催化剂碳化钼的熔点较高，能够保持固体形态，因此本专利技术能够获得手性选择性极高的碳纳米管。3)本专利技术方法选用单晶基底作为生长基底，由于单晶基底具有二重对称性，因此生长得到的碳纳米管具有很高的阵列性。4)本专利技术生长(2m,m)碳纳米管水平阵列的重复性较高以及生长不受面积限制，理论上可以生长很大的面积。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的(12,6)碳纳米管水平阵列的SEM图。图2为本专利技术实施例1制备的(12,6)碳纳米管水平阵列的AFM图。图3为本专利技术实施例1制备的(12,6)碳纳米管水平阵列的拉曼光谱。图4为本专利技术实施例1制备的(12,6)碳纳米管水平阵列的高分辨透射电镜图及衍射分析(内插图)。图5为本专利技术实施例2制备的(2m，m)中(8,4)碳纳米管水平阵列的SEM图。图6为本专利技术实施例2制备的(2m，m)中(8,4)碳纳米管水平阵列的拉曼光谱。图7为本专利技术实施例2制备的(2m，m)中(8,4)碳纳米管水平阵列的高分辨透射电镜图及衍射分析(内插图)。图8为本专利技术实施例1制备的单分散催化剂前驱体的单晶基底的AFM图。图9为本专利技术实施例1制备的负载了不同量催化剂前驱体退火后的单晶基底的AFM及XPS图。图10为本专利技术实施例1制备的还原后得到的催化剂的AFM图。图11为本专利技术实施例1制备的不同还原温度下的催化剂的AFM图。具体实施方式下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。实施例1、制备(12，6)碳纳米管水平阵列在4×6mm2的单晶α-氧化铝基底上，以2500r/min的速度在单晶基底上旋涂0.05mM的钼酸铵的乙醇溶液，然后在1100℃之间进行8小时的退火，让催化剂前驱体钼酸铵充分氧化并铺展在单晶氧化铝基底上。退火的基底放在450℃的反应容器中用200sccm氢气还原10min，然后升至850℃；停掉氢气，引入100sccm的乙醇蒸气(由氩气携带)，生长30min，然后降温，即得到每微米15根的(12，6)碳纳米管水平阵列，其中，碳纳米管的管径为1.1～1.3nm，长度为100～300μm。本实施例制备的(12,6)碳纳米管水平阵列的手性选择性达90％。本实施例制备的(12,6)碳纳米管水平阵列的SEM图如图1所示，由该图可以看出，生长的碳纳米管水平阵列具有较大的面积分布和较高的密度，碳纳米管的准直性较好。本实施例制备的(12,6)碳纳米管水平阵列的AFM图如图2所示，由该图可以看出，碳纳米管水平阵列具有较高的密度，平均密度约每微米15根，局部密度约每微米40根。本实施例制备的(12,6)碳纳米管水平阵列的拉曼光谱如图3所示，由该图可以看出，碳纳米管水平阵列具有很高的手性选择性。本实施例制备的(12,6)碳纳米管水平阵列的高分辨透射电镜图及衍射分析(内插图)如图4所示，由该图可以看出，碳纳米管的手性为(12,6)。实施例2、制备(8，4)碳纳米管水平阵列在4×6mm2的单晶α-氧化铝基底上，以2500r/min的速度在单晶基底上旋涂0.05mM的钨酸铵的乙醇溶液，然后在1000℃之间进行8小时的退火，让催化剂前驱体钨酸铵充分氧化并铺展在单晶氧化铝基底上。退火的基底放在800℃的反应容器中用200sccm氢气还原5min，然后升至850℃；停掉氢气，引入100sccm的乙醇蒸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种(2m，m)碳纳米管水平阵列的制备方法，包括如下步骤：1)将铵盐转移至基底上，然后进行退火处理；2)采用氢气对所述铵盐进行还原；3)所述还原步骤结束后，向反应容器中通入碳源气进行生长，即得所述(2m，m)碳纳米管水平阵列。

【技术特征摘要】
1.一种(2m，m)碳纳米管水平阵列的制备方法，包括如下步骤：1)将铵盐转移至基底上，然后进行退火处理；2)采用氢气对所述铵盐进行还原；3)所述还原步骤结束后，向反应容器中通入碳源气进行生长，即得所述(2m，m)碳纳米管水平阵列。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述铵盐为钼酸铵或钨酸按。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，转移所述铵盐的方式为：将铵盐的醇溶液旋涂于所述基底上；所述铵盐的醇溶液的摩尔浓度为0.01～0.1mM；所述旋涂的速率为2300～2800r/min。4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述基底为单晶基底。5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述退火处理的条件如下：温度为800～1200℃；时...

【专利技术属性】
技术研发人员：张锦，张树辰，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京,11