[发明专利]一种磁场选择性制备单壁碳纳米管的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料制备技术领域的方法，尤其是涉及一种磁场选择性制备单壁碳纳米管的方法。

背景技术

碳纳米管(Carbon nanotubes；CNT)因具有卓越的机械性能、独特的电学、光学性能而被广泛应用在材料科学、化学、物理学、电子学以及其他交叉学科领域中。碳纳米管可分为单璧碳纳米管(SWNT)、双璧碳纳米管(DWNT)和多壁碳纳米管(MWNT)。其中SWNT被认为是一种准一维的纳米材料，因其具有较高的载流子迁移率而被用作制造场效应晶体管、薄膜晶体管等纳电子器件，有望取代硅材料而成为下一代微电子器件的关键材料。研究表明单壁碳纳米管的电学、光学性质直接受它们的直径和手性分布的影响，根据手性的不同，SWNT又被分为金属性和半导体性两种。其中半导体性SWNT的带隙也与其直径大小有一定的关系。但是，在目前常用的SWNT制备方法中，所获得的SWNT的直径分布较宽且无选择性，金属性和半导体性SWNT混合在一起，因而其光学、电学性能变化比较大。因此如何通过各种技术控制SWNT的直径和手性分布，选择性制备单壁碳纳米管是解决采用SWNT大规模制造SWNT基纳电子器件的关键技术之一。

直流电弧放电法是一种常用的制备单壁碳纳米管的方法，其所制备的SWNT具有结晶度高、缺陷少等特点。但由于其制备过程影响SWNT生长的因素较多，因此选择性制备SWNT存在较大困难。研究发现通过施加外加电场、磁场、光辐射等可以影响SWNT的生长过程，进而有可能影响SWNT直径和手性。经对现有文献检索发现，Olga Volotskova等人2010年ACS Nano上发表了题为“Tailored Distribution of Single-Wall Carbon Nanotubes from Arc Plasma Synthesis Using Magnetic Fields”，该论文通过在电弧放电制备SWNT过程中施加磁场，从而改变SWNT直径分布。但是该论文采用Ni/Y作为催化剂制备SWNT，一方面做制备的SWNT直径原本分布就比较窄；另一方面制备过程中生成物随着气流运动而翻腾，导致SWNT产物无法在空间上因磁场差异而分离开。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种磁场选择性制备单壁碳纳米管的方法，本发明采用施加磁场的方法，使得直流电弧放电法(Arc discharging)制备的单壁碳纳米管在空间上因磁场差异而分离开，实现单壁碳纳米管的选择性制备。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种磁场选择性制备单壁碳纳米管的方法，将催化剂、硫粉、高纯石墨粉按比例充分混合后制得阳极石墨棒，将制得的阳极石墨棒放在冲有缓冲气体的电弧室内与阴极正对，通过调整放电电压和放电电流，使电弧室的阴、阳两极发生电弧放电，同时调整磁铁高度使之始终与阴阳电极间隙平齐，调节磁场强度即可制得直径选择性的单壁碳纳米管。

所述的催化剂为铁及其化合物与钴、镍、钼中的一种或几种混合。

所述的阳极石墨棒是将催化剂、硫粉和高纯石墨粉按比例充分混合后填棒制得。

所述的阳极石墨棒还可以加入粘结剂挤压成棒。

所述的粘结剂包括煤焦油，粘结剂的加入量为催化剂、硫粉、高纯石墨粉总重量的20-30wt％。

所述的催化剂、硫粉、高纯石墨粉的摩尔比为(2-4.5)∶(0.5-1)∶(94-98)。

电弧放电的放电电压为40～80V，放电电流为60～120A。

所述的磁场强度为0.02～1.0T。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用磁场辅助的直流电弧法制备单壁碳纳米管，工艺简单、所得产物中SWNT具有高度有序性，SWNT直径在空间的分布上具有选择性，产率高。

附图说明

图1为施加磁场前后电弧放电过程中等离子体变化的示意图；

图2为磁场正对面单壁碳纳米管的扫描电镜(SEM)照片；

图3为电极后面靠近磁铁处的单壁碳纳米管的扫描电镜(SEM)照片；

图4为不同位置的单壁碳纳米管的拉曼光谱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1