[发明专利]一种直接制备不含金属杂质碳纳米管的方法

说明书

技术领域

本发明属于碳纳米管的制备技术领域，特别涉及一种催化剂及利用该催化剂制备碳纳米管的方法。

背景技术

碳纳米管是20世纪90年代发现的一种新型碳纳米材料，其结构可以看成是由平面石墨烯沿一定的手性矢方向卷曲而成的无缝管。由于这种独特的结构，碳纳米管具有优异的机械、力学、电子、光学、热学和储能等性能，引起了很大关注，在材料、电子、化工、机械、能源等各个领域具有潜在的应用：

1、碳纳米管是迄今为止性能最好的场发射材料，可用于制作平板显示器，目前已有公司制出产品。

2、由于碳纳米管具有导体和半导体特性，用它作场效应晶体管、二极管等电子器件和逻辑电路，预期将会给计算机的微型化和高速化带来新的飞跃。

3、碳纳米管制成的气体传感器，可以选择性的检测多种气体分子，且灵敏度比现有传感器材料高几个数量级，另外在生命科学领域也可用于制造生物传感器和生命传感器。

4、碳纳米管是很好的储氢材料，这将给燃料电池汽车以及其它储能装置带来新的发展。

5、利用碳纳米管优异的光电转换性能，其在光电池方面的应用有望推动太阳能能源利用方面的迅速发展。

6、利用其优异的机械和电学性能可制成高频振荡器、电机械开关、制动器等器件。

7、利用其巨大的比表面可制作超级电容器。

现在碳纳米管的制备方法主要有电弧放电法(Joumet C等，Nature 388(1997)，756)、激光烧蚀法(Thess A等，Science 273(1996)，483)和化学气相沉积法(Ivanov V等，Chem.Phys.Lett 223(1994)，329；Li A等，Science 274(1996)，1701)。这些方法一般都使用Fe、Co、Ni等过渡金属催化剂，这些过渡金属催化剂在催化碳管生长过程中，往往会进入碳管内部、形成较稳定的碳化物或被石墨层包裹，而其自身熔点也比较高，因此大部分仍残留在碳纳米管产品中。也就是说，通常制备得到的碳纳米管中都有一定量的金属杂质存在，这在很大程度上制约了碳纳米管在很多领域的应用和性质研究。例如在场发射器件方面，金属杂质的存在阻碍了纳米管的场电子发射，导致较高的开电压和较低的电流密度，降低了场发射器件的性能。而对碳纳米管电学器件来说，由于与碳纳米管接触的金属杂质原子，会与碳纳米管之间发生电荷转移，并影响纳米管导带电子的自旋，从而影响其电输运性质，进而影响到电学器件的性能。另外，金属杂质的存在，对碳纳米管本征性质的测量造成很大的干扰，从而影响了碳管的应用和研究。

目前所用的解决方法是通过化学方法进行后处理，除去金属杂质。这些后处理的步骤一般比较繁琐，且不能完全除去金属，另外后处理往往会对碳纳米管自身的结构造成不同程度的破坏，进而影响碳纳米管的功能和性质。因此，开发一种直接制备不含金属杂质碳纳米管的新方法已成为碳纳米管的性质研究及应用领域的关键问题之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型碳纳米管生长催化剂，进一步提供一种使用该催化剂直接制备不含金属杂质碳纳米管的方法，省去除去金属杂质的后处理步骤。

本发明发现金属铅可以用作直接制备不含金属杂质碳纳米管的催化剂。在碳纳米管的生长温度下，Pb对碳有一定的溶解能力，可以催化碳纳米管生长。另外，由于Pb具有较低的熔点，在碳纳米管的生长温度下很容易挥发，而且铅与碳不能形成稳定的化合物，因此制备的碳纳米管中没有金属催化剂杂质残留。

Pb需要形成纳米级的颗粒才能用作碳纳米管生长的催化剂。通过下面的制备方法实现：将铅盐负载在载体上，先氧化成铅的氧化物，再还原为铅纳米颗粒，催化碳纳米管的生长。

本发明利用铅作为催化剂，采用化学气相沉积法可直接制备得到不含金属杂质的碳纳米管，该方法包括以下步骤：

1)将铅盐溶于有机溶剂中，加载在适于碳纳米管生长的基底上，自然晾干后作为生长碳纳米管的催化剂前驱物；

2)将负载有铅盐的基底放入化学气相沉积系统的反应室内，在有氧情况下，600℃～900℃氧化5～15分钟；

3)通惰性气体或氢气排净反应室内的空气；

4)在800℃～1000℃温度下通入碳源气体和氢气反应15～30分钟，生长出碳纳米管；

5)在惰性气体的保护下降至室温。