[发明专利]一种制备碳纳米管或石墨烯纳米碳材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无金属催化制备碳纳米管或石墨烯纳米碳材料的方法。

背景技术

自从碳纳米管被发现以来，由于其具有独特的电子结构和物理化学性质，在微电子、场发射器件、储氢以及催化等众多领域显示出广阔的应用前景。高纯度、高产量的碳纳米管制备是对其进行结构表征、性能测试以及进一步应用研究的前提和基础。目前常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法，激光蒸发法以及金属催化化学气相沉积法。其中，电弧放电法技术简单、生长速度快，但需要温度高，产物杂质较多；激光蒸发法制备的产物质量高但产量低；金属催化化学气相沉积法具有成本低、产量大、可规模化生产等优点，是目前应用最广泛的一种合成方法。但是，制备过程中金属催化剂(一般为铁系催化剂：Fe、Co、Ni)的引入给后期碳纳米管的研究与应用带来了许多问题。例如，残留的金属纳米粒子会改变碳纳米管的磁性，稳定性，甚至会增强对生物体的毒性。另外，残留金属与Si半导体技术的不兼容性大大阻碍了碳纳米管相关电子器件的发展。为了尽量避免金属催化剂的影响，目前大多采用氧化、酸洗、过滤等非常复杂的后处理过程来纯化碳纳米管。尽管这样，仍然无法完全排除极少量金属纳米粒子的存在。而且提纯过程对样品的损失和损害都很大，会产生大量缺陷。由此可见，无金属催化制备碳纳米管可以从根本上避免这个问题。如果利用该方法可以进一步实现高质量、大批量的生产，将能够大大推动碳纳米管在相关领域的应用。

目前，碳纳米管的无金属催化剂制备方法可以分为两种。一种是非金属催化剂化学气相沉积法。它是在提供碳源(乙醇或甲烷)的情况下，利用半导体(Si、Ge、SiC)或绝缘体(Al₂O₃、金刚石)纳米粒子作为成核点来制备碳纳米管。这种方法制得的碳纳米管产量低，而且分布比较杂乱，取向性差。另外一种是碳化硅高温分解法，即在低真空条件高温(＞1200℃)退火使得碳化硅发生分解。该方法得到的碳纳米管结构规整，纯度高。但是由于影响碳纳米管生长的因素很多，该方法的重复性比较差，还难以实现可控地生长碳纳米管结构。

2004年英国Manchester大学的Geim等人发现了纳米碳材料的又一耀眼的明星-石墨烯。近年来，它迅速成为材料科学和凝聚态物理等领域的研究热点。石墨烯是由碳六元环组成的二维蜂窝状点阵结构，是构建其它纳米碳材料(如富勒烯、碳纳米管、石墨)的基本单元。它不仅兼有以上纳米碳材料的高热导性、高机械强度等优良性质，而且具有独特的电子结构和电学性质，如完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应、从不消失的电导率等，将有望在高性能纳米电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域获得广泛应用。因此，石墨烯的高效制备成为目前亟待解决的问题之一。目前，石墨烯的制备主要有机械剥离、溶液相制备、化学气相沉积、和碳化硅热分解法。机械剥离法操作简单但可控性差；溶液相制备体系操作简单、产量大但石墨烯尺寸较小且分布不均匀；化学气相沉积法可制备高质量石墨烯，但工艺复杂、效率低、产物转移困难。目前的碳化硅热分解法也难以获得大面积、高质量的石墨烯，但是，本发明中改良的碳化硅高温热分解法具有质量高、尺寸大，可以大规模生产等特点。

另外，碳化硅具有的诸多特有的物理化学性质将使得它有可能在将来取代硅而被广泛应用于半导体电子等工业。碳化硅高温分解法将碳纳米管、石墨烯等纳米碳材料与碳化硅半导体有机地结合起来。这种新型材料有可能在许多领域取得应用。

发明内容

本发明的目的在于发明了一种无金属催化制备碳纳米管或石墨烯纳米碳材料的方法，实现了高质量、大规模石墨烯或碳纳米管的制备。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括如下步骤：

一种制备碳纳米管或石墨烯纳米碳材料的方法，

1)SiC样品的处理过程：对高纯SiC样品，例如6H-SiC单晶，进行表面清洗处理；采用溶液化学的方法将SiC样品表面的污染物清除干净；

2)石墨烯的制备：将处理后的SiC样品置于真空腔内，抽真空使真空腔内真空度≤5×10^-10mbar、或于抽真空后向真空腔内通入惰性或还原性气体使真空腔内的真空度维持10^-4～10^-10mbar，加热将SiC样品加热至高温1200-2000℃，并保温≥3分钟；样品在惰性或还原性气氛中降至室温，得石墨烯；