[发明专利]一种垂直生长的开口碳纳米管薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳纳米管薄膜制备技术领域，具体为一种高度垂直取向开口碳纳米管薄膜的制备方法。

背景技术

碳纳米管是1991年才被发现的一种新型碳结构，它是由碳原子中的sp² 杂化为主，混合有sp3杂化所构筑成的理想结构。碳纳米管可看作是由片状的石墨烯卷成的无缝、中空的管体。其结构为完整的石墨烯网格，因此其理论强度接近于碳碳键的强度，理论预测其强度约为刚的100倍，密度却只有刚的1/6，并具有高抗破坏、抗畸变能力，因此被称为超级纤维。碳纳米管具有极高的比表面积，最大可达1315m²/g，其也因具有优异的吸附特性，被认为是理想的新型储氢材料。作为催化剂载体时，物质通过的速率为常规催化剂的上千倍，能显著改变化学反应速率。对于气体储存和碳纳米管的填充，打开碳纳米管端部是必要的。开口的碳纳米管可以填充金属、氧化物等，从而获得人们所需要的其它纳米材料。同时端部开口的碳纳米管对改善低导通电场光束发射、接枝功能高分子也非常有帮助。

碳纳米管因其具有的高表面积、导热导电性好、化学稳定性高、机械强度高等特点越来越成为纳米材料领域研究的热点。然而，碳纳米管为纳米材料，将其制备成诸如开口的碳纳米管薄膜等宏观体，其实际应用价值才更高；现有技术制备的碳纳米管薄膜，碳纳米管多为散乱排列，端口闭口且含催化剂杂质，这在很大程度上限制了碳纳米管的应用。采氩-氧混合等离子体刻蚀处理碳纳米管阵列时，可以利用重离子氩的高能量来对碳纳米管端部进行轰击，而氧等离子体既可作为轰击离子也可以把氩轰击后留下来的无定形碳和催化剂颗粒去除。碳纳米管生长成膜时，因碳纳米管间受范德华力相互作用，且生长密度达到一定值时，由于生长空间的限制，迫使其沿着垂直方向一致生长形成自支撑膜状宏观体。这种高度一致垂直取向的开口碳纳米管薄膜不仅方向性一致、排列整齐、每根碳纳米管开口性良好，且同散乱生长排列的碳纳米管薄膜相比还具有更高的比表面积和导电导热能力，作为导热导电、膜过滤材料及催化剂载体时，物质的传质传热效率也大大提高。因此，制备高垂直取向高致密化的开口碳纳米管薄膜是提高碳纳米管实际应用价值的有效途径。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种操作步骤简单、成本低、实用性强的高度垂直取向开口碳纳米管薄膜的制备方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种垂直生长的开口碳纳米管薄膜的制备方法，包括如下步骤：

（1）陶瓷膜预处理：将片状的陶瓷膜先用金相砂纸进行表面磨平处理，然后将打磨过的陶瓷膜放入丙酮中超声清洗，再将陶瓷膜放入纯水中煮沸以进一步除去杂质并打开膜表面通道，最后烘箱烘干；

（2）称取适量的二茂铁并超声溶于二甲苯中，加入适量碳纳米管促生长剂噻吩，形成混合溶液；

（3）将步骤（1）得到的陶瓷膜置于石英舟内，并从石英管管口缓缓推送至管式炉反应器的高温区，拧紧石英管两端的法兰封口，通入氮气后，升温至反应温度；

（4）将步骤（2）配制好的混合溶液经注射器缓慢匀速注入管式炉反应器内；

（5）恒温反应后，停止加热，在氮气保护下自然降温，关闭氮气和管式炉反应器电源，取出碳纳米管薄膜；

（6）将上述碳纳米管薄膜放入等离子体刻蚀机反应腔内，将反应腔内抽至真空，再通入高纯氩气，使腔内气压上升，然后再通入高纯氧气，使得反应腔内压强变为原来的2倍，开启平板电极电源进行等离子刻蚀处理；

（7）将刻蚀好的碳纳米管薄膜置于三口烧瓶中，打开冷却水，向三口烧瓶中加入一定浓度的硝酸溶液，加热回流，然后将碳纳米管薄膜置于去离子水中反复冲洗，直至水溶液的pH为7，最后放入烘箱中烘干。

步骤（1）中所述的片状的陶瓷膜为氧化铝陶瓷膜，膜孔径为0.01～0.25μm，膜厚度为3～5mm；超声功率为100～300W。所述的金相砂纸为2500～3000目。所述的丙酮中超声清洗时间为10～30分钟，纯水中煮沸时间为30～60分钟，烘箱温度为60～70℃，烘干时间为10～12h。

步骤（2）中所述的二茂铁为分析纯，称取1～3g；二甲苯为分析纯，量取50～60mL；噻吩为分析纯，添加量为10～15μL；超声功率为100～300W。

步骤（3）中所述的管式炉为单温管式炉；氮气为高纯氮气，氮气流速为10～15mL/s，反应温度为600～900℃。

步骤（4）中所述的注入溶液为20 ~30mL，注入速度约0.3~0.4mL/min。