碳纳米管及其制备方法、碳纳米管元件技术

本发明专利技术公开了碳纳米管及其制备方法以及使用碳纳米管的元件。该制备碳纳米管的方法，包括在催化剂和助催化剂存在下，通过电弧放电法由碳源生产碳纳米管，其中，所述助催化剂包括能降低在催化剂上碳纳米管生长位点的表面能的单质。本发明专利技术制备碳纳米管的方法可以制备出纯度非常高并且直径分布窄的碳纳米管。

【技术实现步骤摘要】

与常规方法相比，本专利技术得到的碳纳米管纯度更高，直径分布更窄。
技术介绍
碳纳米管(CNT)作为一维碳纳米材料，具有许多优异的电学、力学 和化学特性，因此日益受到人们的关注。随着对纳米材料研究的不断深入，碳纳米管的广阔应用前景也正不断的涌现，例如用于场发射电子源、纳米 场效应晶体管、储氢材料以及高强度纤维等。碳纳米管根据形成管壁的碳原子的层数可以分为单壁碳纳米管 (SWNT)和多壁碳纳米管(MWNT)，多壁碳纳米管也可以理解为由不同 直径单壁碳纳米管套装而成。在实际的研究和应用中，单壁碳纳米管、层 数较少的多壁碳纳米管由于在电性能、热性能、机械以及化学性能等方面 所拥有的独特性能而具有重要的地位。常用的制备碳纳米管的方法包括电弧放电法、化学气相沉积法(CVD) 以及激光蒸发法等。迄今为止，电弧放电法是大规模生产高质量碳纳米管 的最有效方法之一。针对该方法已经作出了许多尝试，例如通过优化诸如 催化剂(或者助催化剂)、惰性气体种类和压力、电流或电压以及温度等参 数，来改善碳纳米管的纯度以及产率，并控制其直径分布。例如，B.P. Tamsov 等通过使用Y-Ni合金作为催化剂，合成了纯度非常高的碳纳米结构(B.P. Tarasov,et al， Synthesis of carbon nanostructure by arc evaporation of graphite rods with Co-Ni and YNi catalysts, 41, 2003， 1357-1364 )。 H. Li等通过将一些Fes加入到Y-Ni合金催化剂中作为助催化剂，获得了更高纯度的单 壁碳纳米管(SWNT ) ( H. Li, et al, Direct Synthesis of High Purity Single-^Vailed Carbon Nanotube Fibers by Arc Discharge, 尸/i;;^. CTzem. 5 108, 2004, 4573-4575 )。目前，仍然存在有对于制备纯度高和直径分布窄的碳纳米管的方法的需求。
技术实现思路
本专利技术的方法能够高效地制备出纯度高并且直径分布窄的碳纳米管。本专利技术的第 一方面提供了 一种制备碳纳米管的方法，其包括在催化剂 和助催化剂存在下，通过电弧放电法由碳源生产碳纳米管，其中，所述助 催化剂包括能降低在催化剂上碳纳米管生长位点的表面能的元素单质。根据本专利技术第一方面的一种实施方案，该助催化剂包括硒、碲或锗。 更优选地，该助催化剂为硒。才艮据本专利技术第 一方面的另 一 实施方案，催化剂选自镧系金属的氧化物， 过渡金属，或者镍和稀土元素的混合物，以及前述催化剂的混合物。在另一实施方案中，催化剂选自Y-Ni合金、Fe-Ni合金、Fe-Co合金、.Co-Ni合 金、Rh-Pt合金或Ce-Ni合金。根据本专利技术第一方面的一种实施方案，助催化剂与催化剂的重量比为 大于0至0.1:1。在另一实施方案中，助催化剂与催化剂的重量比为0.01 ~ 0.03:1，更伊C选为0.02 — 0.03:1。在本专利技术第一方面的另 一实施方案中，用于电弧放电法生产碳纳米管 的碳源为石墨。在一种实施方案中，碳源与催化剂的重量比为0.5 10:1,优 选为1~5:1。根据本专利技术第一方面的一种实施方案，优选的是，碳源:催化剂:助催化 剂的重量比为3.4:1:0.02,其中所述碳源为石墨，催化剂为Y-Ni合金，助催化剂为硒。在本专利技术第一方面的各个实施方案中，碳纳米管(CNT)优选为单壁 碳纳米管(SWNT)。本专利技术的第二方面提供了根据本专利技术第 一方面的方法所制备的碳纳米 管。该碳纳米管具有最高大于99%的纯度，其直径分布主要在约1.47-1.53 nm。因而，与常规碳纳米管相比，该碳纳米管具有更加优异的性能。本专利技术的第三方面提供了包括根据本专利技术第二方面的碳纳米管的碳纳米管元件。在本申请的各个方面，碳纳米管(CNT )优选为单壁碳纳米管(SWNT )。下文的详述将使本专利技术的其它目的和方面变得明显。但是应该理解，性的，本领域技术人员通过理解以下详述，很明显可以在本专利技术的精神和 范围内做出各种改变和变化形式。附图说明图1示出了本专利技术用于制备碳纳米管的电弧炉的示意图。图2a和2b是使用Se作为助催化剂合成的碳纳米管纯化后样品的SEM照片。图2c和2d分别是使用FeS作为助催化剂和不使用助催化剂制备的^f友纳米管纯化后样品的SEM照片。图3是使用Se作为助催化剂合成的碳纳米管纯化后样品的TGA-DTA图。图4是使用Se作为助催化剂合成的碳纳米管纯化后样品的拉曼光谱图。图5是不使用助催化剂、使用FeS作为助催化剂以及使用Se作为助催 化剂分别制备的碳纳米管纯化后样品的拉曼光谱图。图6a和6b分别是使用Se作为助催化剂以及使用FeS作为助催化剂制 备的碳纳米管纯化后样品的TGA图。图7a和7b分别是使用Se作为助催化剂制备的碳纳米管纯化后样品的 TEM照片(放大20000倍)和HRTEM照片(放大80000倍)。图8a和8b分别是使用FeS作为助催化剂制备的碳纳米管纯化后样品 的TEM照片(放大4000倍)和HRTEM照片(放大60000倍)。图9a和9b分别是使用Se作为助催化剂以及使用FeS作为助催化剂制 备的碳纳米管未纯化样品的TGA图。图中的坐标dW/dT是指重量相对于温 度的一阶倒数。具体实施例方式下面将参考附图详细说明本专利技术的 一些示例性实施方案。在第一方面，本专利技术提供了一种制备碳纳米管的方法，其包括在催化剂和助催化剂存在下，通过电弧放电法由碳源生产碳纳米管，其中，所述助催化剂包括能降低在催化剂上碳纳米管生长位点的表面能的元素单质。电弧放电法是最早用于制备碳纳米管的工艺方法之一。图1示出了本专利技术的实施方案中用于制备碳纳米管的电弧炉100的示意图。该电弧炉包括真空腔160、阴极接头110、阴极120、阳极130、阳极接头140以及线性进给装置150。阴极120通常为直径粗大(例如大约13mm)的石墨棒，也可以采用例如铜的金属电极；阳极130为直径较小(例如大约6mm)的石墨棒。在本专利技术的一种实施方案中，如下制备用于阳极130的阳极石墨棒。在阳极石墨棒的中心钻一个孔。将催化剂、助催化剂磨成粉末后与石墨均匀混合得到的阳极混合物，然后再将该混合物填入在阳极石墨棒的孔中并且压实以形成电弧放电的阳极130。该阳极130还可以通过将催化剂和助催化剂混合至石墨中以得到阳极混合物，然后将该混合物成型以形成阳极石墨棒来形成。在进行电弧放电之前，真空腔160被抽真空，然后再向其中注入作为保护气体的惰性气体(例如氦气或氩气)、氢气、氮气或这些气体的混合物。接通电源之后，可以通过线性进给装置150调整阴极120和阳极130之间的距离(该距离通常保持为一个预定恒定值，例如约l~5mm)以在阳极130和阴极120产生稳定的电弧放电。在开始时，阴极120和阳极130不应该接触，从而没有初始电流产生，然后逐渐移动阳极120以接近阴极130直到产生电弧。在放电过程中，在阳极130和阴极120之间产生高速等离子体流，使阴极120和阳极130表面达到极高的温度，例如可以分别为大约3000。C和5000。C以上，并造成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备碳纳米管的方法，其包括在催化剂和助催化剂存在下，通过电弧放电法由碳源生产碳纳米管，其中，所述助催化剂包括能降低在催化剂上碳纳米管生长位点的表面能的元素单质。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：梶浦尚志，李勇明，黄丽平，刘云圻，魏大程，王钰，张洪亮，
申请(专利权)人：索尼株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]