一种窄直径分布半导体性单壁碳纳米管的制备方法技术

本发明专利技术提供一种窄直径分布半导体性单壁碳纳米管的制备方法，在催化剂前驱体二茂铁、催化助剂前驱体稀土金属钇盐以及另一催化助剂前驱体噻吩、低分子烷烃或醇为碳源的条件下，通过调节优化催化剂配比、生长温度、氢气及氦气载气流量，制得窄直径分布半导体性单壁碳纳米管的制备方法，所制备的单壁碳纳米管直径分布介于1.3～1.8nm之间，手性指数包括(15,11)、(17,6)、(17,3)、(13,6)，具备优异的结晶度及热稳定性。及热稳定性。及热稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种窄直径分布半导体性单壁碳纳米管的制备方法


[0001]本专利技术属于单壁碳纳米管可控制备
，具体涉及一种窄直径分布半导体性单壁碳纳米管的制备方法。

技术介绍

[0002]单壁碳纳米管(SWCNTs)因其独特的一维管状结构表现出优异的物理化学性能。单壁碳纳米管具有比铜高几个数量级的超高载流能力，故可被用作制造场效应晶体管、薄膜晶体管，有望取代硅基半导体而成为下一代微电子器件的关键材料。结构上，单壁碳纳米管具有不同直径、螺旋度、结晶度。其中螺旋度使单壁碳纳米管分为金属性和半导体性，而只有半导体性单壁碳纳米管才适合构建晶体管，因此，宏量制备半导体性单壁碳纳米管是解决制造碳纳米管基晶体管的关键技术之一。
[0003]目前半导体性单壁碳纳米管可通过分离提取、直接生长两种方式获取。而在分离提取过程中，因单壁碳纳米管较高的表面能，难免要采用分散助剂或高能剪切等方式解团聚，这样势必破坏或损伤单壁碳纳米管的结构，所以直接生长半导体性单壁碳纳米管越来越备受关注。大多数直接生长半导体性单壁碳纳米管的方法集中在浮动催化法，文献(1、Reguero,V.；Aleman,B.；Mas,B.；Vilatela,J.J.Chem.Mater.2014,26(11),3550
‑
3557.2、Hou,G.F.；Chauhan,D.；Ng,V.；Xu,C.H.；Yin,Z.Z.；Paine,M.；Su,R.T.；Shanov,V.；Mast,D.；Schulz,M.；et al.Mater.Des.2017,132,112
‑
118)及专利报道的浮动催化法碳源的转化率一般介于0.9～9％之间，单壁碳纳米管的产率较低。碳源转化率计算公式如下：
[0004]M
(SWNTs)
＝M
(total)
‑
M
(ac)
‑
M
(rc)
[0005][0006]其中：M
(SWNTs)
、M
(ac)
和M
(rc)
分别是单壁碳纳米管、无定形碳和残留催化剂金属氧化物的质量。ρ
(ethanol)
为乙醇的密度(0.7893g/cm3)，ν(L)为碳源供应速率(0.1cc/min),T为反应时间(60min)，M(C)％为碳源中碳的质量百分比。
[0007]中国专利技术专利CN103011130B公布的浮动催化法每批次产物收率为10～30mg，I
G
/I
D
＝78，产物样品经纯化处理后热重最速分解温度为800℃；中国专利技术专利CN107089652B公布了一种窄直径隙分布、高纯度半导体性单壁碳纳米管的制备方法，所制备单壁碳纳米管的直径分布区间为1.9～2.2nm，其直径较大。可见，现有技术中直接生长半导体性单壁碳纳米管的方法还存在着直径分布宽、结晶度差、产物最速分解温度较低等问题。

技术实现思路

[0008]为了解决现有技术中的问题，本专利技术提供一种窄直径分布半导体性单壁碳纳米管的制备方法，实现了1.3～1.8nm窄直径分布半导体性单壁碳纳米管的高效可控制备。
[0009]本专利技术解决其技术问题是采用以下技术方案实现的：
[0010]本专利技术目的在于提供一种窄直径分布半导体性单壁碳纳米管的制备方法，其特征
在于，包括以下步骤：称取催化剂前驱体二茂铁、催化助剂前驱体稀土金属钇盐、催化助剂前驱体噻吩溶于乙醇中，保持体系密封超声20～40min，转移至注射器中备用；将管式炉抽真空后通入惰性气体至常压并在惰性气体保护下升温至单壁碳纳米管生长所需温度，然后通入氢气、调节惰性气体流速并将注射器中溶液通过超声雾化装置注入到管式炉中，开始生长得到窄直径分布半导体性单壁碳纳米管。
[0011]进一步的，所述钇盐选自硝酸钇或其水合物、硫酸钇或其水合物、氯化钇或其水合物、溴化钇、碘化钇、高氯酸钇、乙酸钇或其水合物、三氟甲磺酸钇、三(硫酸乙基)钇、钇三碘酸盐中的一种或多种。
[0012]进一步的，所述二茂铁、钇盐、噻吩中元素的摩尔比Fe:Y:S为15:0.15～5:1。
[0013]进一步的，所述单壁碳纳米管生长所需温度为900～1500℃，氢气流速为500～2000mL/min，惰性气体流速为1000～3000mL/min。
[0014]进一步的，在氢气、惰性气体通入管式炉中时还同时通入低分子烷烃。
[0015]进一步的，窄直径分布半导体性单壁碳纳米管直径分布区间为1.3～1.8nm。
[0016]进一步的，所述单壁碳纳米管手性指数包括(15,11)、(17,6)、(17,3)、(13,6)。
[0017]进一步的，所述窄直径分布半导体性单壁碳纳米管的产量为300～500mg/h。
[0018]进一步的，所述窄直径分布半导体性单壁碳纳米管的I
G
/I
D
为95～110。
[0019]进一步的，窄直径分布半导体性单壁碳纳米管的最速分解温度为820～825℃。
[0020]进一步的，碳源转化率为11.5～15％。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益技术效果在于：
[0022]本专利技术通过添加稀土元素钇调控单壁碳纳米管直径、螺旋度，并改善了碳纳米管的结晶度及热稳定性，实现了窄直径分布半导体性单壁碳纳米管的宏量制备。在催化剂前驱体二茂铁、催化助剂前驱体稀土金属钇盐以及另一催化助剂前驱体噻吩、低分子烷烃或醇为碳源的条件下，通过调节优化催化剂配比、生长温度、氢气及氦气载气流量，使制备的单壁碳纳米管直径分布介于1.3～1.8nm之间，直径小，宽度范围窄，手性指数包括(15,11)、(17,6)、(17,3)、(13,6)，具备优异的结晶度及热稳定性(I
G
/I
D
＝100，产物样品不经纯化处理热重最速分解温度高达825℃)，产物样品不经纯化处理热重最速分解温度高于现有技术。本专利技术通过垂直式炉将碳源高效转化为单壁碳纳米管，转化率高达15％。本专利技术制备方法设备搭建简单，生产成本低，产量高，具有良好的工业应用前景。
[0023]上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本专利技术的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本专利技术的具体实施方式。
附图说明
[0024]图1为本专利技术一种窄直径分布半导体性单壁碳纳米管的制备方法中实施例1与对比例1中碳纳米管的拉曼表征图谱。
[0025]图2为本专利技术一种窄直径分布半导体性单壁碳纳米管的制备方法中实施例1与对比例1中碳纳米管的拉曼RBM峰位放大图谱。
[0026]图3为本专利技术一种窄直径分布半导体性单壁碳纳米管的制备方法中实施例1与对比例1中碳纳米管的热重分析图谱。
[0027]图4为本专利技术一种窄直径分布半导体性单壁碳纳米管的制备方法中实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种窄直径分布半导体性单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：称取催化剂前驱体二茂铁、催化助剂前驱体稀土金属钇盐、催化助剂前驱体噻吩溶于乙醇中，保持体系密封超声20～40min，转移至注射器中备用；将管式炉抽真空后通入惰性气体至常压并在惰性气体保护下升温至单壁碳纳米管生长所需温度，然后通入氢气、调节惰性气体流速并将注射器中溶液通过超声雾化装置注入到管式炉中，开始生长得到窄直径分布半导体性单壁碳纳米管。2.如权利要求1所述一种窄直径分布半导体性单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于：所述钇盐选自硝酸钇或其水合物、硫酸钇或其水合物、氯化钇或其水合物、溴化钇、碘化钇、高氯酸钇、乙酸钇或其水合物、三氟甲磺酸钇、三(硫酸乙基)钇、钇三碘酸盐中的一种或多种。3.如权利要求1所述一种窄直径分布半导体性单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于：所述二茂铁、钇盐、噻吩中元素的摩尔比Fe:Y:S为15:0.15～5:1。4.如权利要求1所述一种窄直径分布半导体性单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于：所述单壁碳纳米管生长所需温度为900～1500℃，氢气流速为500～2000mL/min，惰性气体流速为1000～3000mL/min。5.如权利要求1所述一种窄直径分布半导体...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮超，丁龙奇，丁显波，曹礼洪，
申请(专利权)人：重庆中润新材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：