[发明专利]单壁碳纳米管的制备方法

说明书

交叉引用信息

本申请要求2004年11月24日提交的美国临时申请第60/630,946号，2004年11月24日提交的美国临时申请第60/630,781号和2004年11月16日提交的美国临时申请第60/628,498号的权益和优先权，其各自在此通过引用完全并入本申请。

发明背景

技术领域

本发明涉及单壁碳纳米管的制备方法。更具体地，本发明涉及在商业可行的反应条件下制备单壁碳纳米管束或单壁碳纳米管的密堆积阵列的方法。

相关技术描述

碳纳米管

本发明属于碳纳米管(又名原纤维)领域。碳纳米管是直径小于1.0μm，优选地小于0.5μm，更优选地小于0.2μm的蠕虫状碳沉积物。碳纳米管可以是多壁的(即具有一个以上大致平行于纳米管轴的石墨层)也可以是单壁的(即只有一个平行于纳米管轴的石墨层)。已知还有其它类型的碳纳米管，如鱼骨形原纤维(例如，其中石墨层相对于管轴以人字形图案排列)等。生成时，碳纳米管的形式可以是不连续的纳米管、纳米管聚集体(即包含纠缠在一起的碳纳米管的致密微观粒子结构)或两者的混合物。

碳纳米管与可商购的连续碳纤维不同。比如，连续碳纤维的直径(总是大于1.0μm且一般为5-7μm)远大于碳纳米管(一般不到1.0μm)。碳纳米管还具有远好于碳纤维的强度和导电率。

碳纳米管还在物理和化学性质上不同于其它形式的碳如标准石墨和炭黑。标准石墨由于其结构可以将氧化进行到几乎完全饱和。此外，炭黑是通常呈具有石墨结构(如碳层包围着无序的核)的球形颗粒形式的无定形碳。另一方面，碳纳米管具有一个或多个绕纳米管圆柱体轴基本上同心排列的有序石墨碳原子层。这些差异尤其使得很难用石墨和炭黑来预测纳米管化学。

而且人们已经进一步认识到，多壁和单壁碳纳米管彼此也是不同的。例如，多壁碳纳米管具有沿纳米管轴的多个石墨层，而单壁碳纳米管在纳米管轴上只有一个石墨层。

制造多壁碳纳米管的方法也不同于制造单壁碳纳米管的方法。具体地，要得到多壁还是单壁碳纳米管需要催化剂、催化剂载体、原材料和反应条件的不同组合。某些组合还会得到多壁和单壁碳纳米管的混合物。

因而，要确定某种方法是否能商业上可行地用于大规模制造所要求的碳纳米管时，往往需要考查两个特征。第一是催化剂的选择性(例如，该催化剂会主要产生单壁碳纳米管还是会主要产生多壁碳纳米管或其它形式的碳产物)。第二是催化剂的产率(例如，单位重量所用催化剂产生的碳产品重量)。

形成多壁碳纳米管的方法已经为大家所熟知。例如Baker和Harris的Chemistry and Physics of Carbon，Walker和Thrower主编，Vol.14，1978，第83页；Rodriguez，N.，J.Mater.Research，Vol.8，第3233页(1993)；Oberlin，A.和Endo，M.，J.of Crystal Growth.Vol.32(1976)，第335-349页；Tennent的美国专利US4,663,230；Tennent的美国专利US5,171,560；Iijima，Nature 354，56，1991；Weaver，Science 265，1994；de Heer，Walt A.，″Nanotubes and the Pursuit of Applications，″MRSBulletin，2004年4月，等等。这些参考文献都在此通过引用并入。

商业上已知的形成多壁碳纳米管的方法在选择性(例如，产物中多壁碳纳米管的量超过90％)及产率(例如每磅催化剂产生30磅多壁碳纳米管)上都很高。