[发明专利]一种在多壁碳纳米管中生成碳链的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种是多壁碳纳米管中生成碳链的方法，也即碳纳米线的制备方法，属于纳米技术领域。

背景技术

碳纳米线是在碳纳米管的中心包含一根数百个sp杂化的碳原子连接形成的一维长链所组成的结构。2003年，赵新洛等人在利用氢电弧法制备出的多壁碳纳米管中发现了碳纳米线(Zhao X.L. et al. Phys. Rev. Lett. 2003, 187401)。他们是在氢气气氛中，在两个纯石墨电极棒之间激发直流电弧制备的。2004年，Jinno M.等人在氢气氮气的混合气体气氛和氘气气氛中利用电弧法分别制备出碳纳米线 (Jinno M. et al. Chem. Phys. Let. 2004, 398: 256-259). 2008年，Castriota M.等人在氦气中利用电弧法制备出碳纳米线 (Castriota M. et al. Surf. Sci. 2007, 601: 3926-3932)。2010年，Compagnini G.等人在液氮中，利用电弧法制备出碳纳米线 (Compagnini G. et al. J. Optoelectron. Adv. M. 2010, 12: 456-460)。2010年，Chen B.等人在含有催化剂La和Y的阳极，与纯石墨棒阴极之间，利用氢电弧法也制备出了碳纳米线(Chen B. et al. J. Nanosci. Nanotechno. 2010, 10: 4038-4042)。以上方法制备的碳纳米线中的碳链都是存在于同时生长的多壁碳纳米管内。2006年，Endo M.等人高温处理双壁碳纳米管，在两个双壁碳纳米管管壁相互联结之处，形成了连接两个双壁碳纳米管的碳链(Endo M et al. Small 2006, 2: 1031-1036)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在多壁碳纳米管中生成碳链的方法，此方法基于含小直径最内层管的多壁碳纳米管的制备、空气处理和高温处理过程。

本发明一种在多壁碳纳米管中生成碳链的方法，其特征在于具有以下的过程和步骤：

a. 含小直径最内层管的多壁碳纳米管的制备

含小直径最内层管的多壁碳纳米管由氢以弧法制得；采用氢气的压强控制在60～80Torr；阴极和阳极均为圆柱形纯石墨材料制成；阴极和阳极的直径分别为10mm和6mm；两极之间的距离为1～2mm；直流电流大小为40～70A；

b. 在空气中热处理多壁碳纳米管

将上述步骤得到的多壁碳纳米管在空气气氛中500～550℃进行热处理1～12h；该过程为作提纯作用的热处理；

c. 在保护性气体下高温处理

将上述空气处理过的含小直径最内层管的多壁碳纳米管置于以石墨为炉腔的高温炉中，炉腔内充有高纯度的保护性气体氩气或氦气；加热介温至1200～1700℃，并保温1～5h；最终在多壁碳纳米管中生成碳链，也即得到碳纳米线。

高温处理后的多壁碳纳米管在外表形貌上变化不大，说明得到的碳纳米线在常温下可稳定存在。多壁碳纳米管最内层管中一维碳原子链的形成机理还不太确定，目前有以下两种解释：一是高温使得多壁碳纳米管内的无定形碳原子重新排布形成一维碳原子链；二是高温下多壁碳纳米管外的碳原子的布朗运动加剧，碳原子逐步进入刚好容纳一个碳原子大小的多壁碳纳米管管腔中，经过足够长的时候后，先后进入碳纳米管中的碳原子前后排列就形成了一维碳原子链。

附图说明

图1制备的含小直径最内层管的多壁碳纳米管的扫描电子显微镜照片（SEM）。

图2 空气处理后的多壁碳纳米管的扫描电子显微镜照片（SEM）。

图3 高温处理前后多壁碳纳米管的拉曼光谱图（Raman）。

具体实施方式

现将本发明的具体实施例叙述于后。

实施例

本实施例中的制备步骤如下：

(1) 含小直径最内层管的多壁碳纳米管的制备

多壁碳纳米管样品由氢电弧法制备得到。氢气压强为70 Torr；两电极均为圆柱形纯石墨材料，阴极和阳极的直径分别是10 mm和6 mm，两电极之间的间距为约1.5mm；直流电流大小为50 A。

(2) 空气处理多壁管样品

将上述步骤得到的样品在空气气氛中520 ℃进行处理12 h。

(3) 高温处理多壁碳纳米管样品

将步骤(2)得到的多壁碳纳米管样品置于以石墨为炉腔的高温炉中，炉腔内充满高纯度的保护性气体如氩气、或氦气。升温至1500 ℃后，保温2小时，即可得到碳纳米线样品。