[发明专利]一种大规模制备大尺寸自支撑碳管的方法

说明书

本发明属于大尺寸碳管制备技术领域，特别公开一种大规模制备大尺寸自支撑碳管的方法。S1、利用石英纤维（quartz wool）作为模板，通过化学气相沉积（CVD）法在模板上外延生长碳管；S2、向S1得到的外延生长的材料中加入酸溶液进行浸泡以刻蚀去除模板，然后洗涤至中性，干燥，即得大尺寸自支撑碳管。本发明方法过程简单，设备成本低，易控制；制得的碳管均匀且具有完美的管形结构与极轻的质量密度；外径尺寸与长度可根据模板进行调节；可实现大规模制备。大尺寸碳管由于结合了二维sp²杂化碳与一维大尺寸管的内在特性使其催化、弹性便携式电子器件、传感器、X光管源、环境保护等领域有很好的发展前景。

技术领域

本发明属于大尺寸碳管制备技术领域，具体涉及一种大规模制备大尺寸自支撑碳管的方法。

背景技术

大尺寸碳管作为一种新型碳基结构材料，较传统碳纳米管具有更大的管尺寸，越来越引起研究人员的兴趣。这种独特的结构有效结合了二维sp²杂化碳和一维大管的内在性质，使其在催化、柔性便携式电子器件、传感器、X光管源、环境保护等领域具有潜在的应用。

以前，大尺寸碳管主要通过在过渡金属表面热解碳氢化合物制得，通过过渡金属催化碳的生长与结晶，沿管方向石墨烯层的堆叠形成。直径约50 μm的自支撑大尺寸碳管基于固体碳前驱体在镍模板上的热解和聚甲基丙烯酸甲酯辅助热解而制得，显示出1.48 ×10⁶ S·m^-1的电导率和在低电场（0.6 - 0.7 V·µm）下10⁴ A·cm^-2 数量级的场发射电流密度 (D. D. Nguyen, et al, ACS Nano2015, 9, 3206)。直径在50~200 nm的竹节状结构石墨烯管通过利用金属框架模板热解双氰胺制得，其在氧化还原反应和氢-空气燃料电池方面具有潜在的催化活性(X. L. Wang, et al, Nanoscale2015, 7, 20290；Q. Li, et al,Small2015, 11, 1443）。然而，许多制备的大尺寸碳管不能自支撑它们的管状形貌，因为它们管壁的机械强度不能维持管状结构。例如，利用镍丝为模板通过CVD方法制备的70 nm石墨烯管由于低的机械强度发生塌陷(R. Wang, et al, Nano Lett. 2010, 10, 4844)。以铜丝为模板通过CVD方法制备的640 μm石墨烯管发现会收缩成纤维结构，这归因于湿法刻蚀模板产生的液体毛细作用力(T. Chen, et al, Angew. Chem. Int. Ed.2015, 54,14947)。鉴于独特的大管状结构产生的诸多吸引人的性能，大规模制备没有形貌变形的大尺寸碳管是关键。

综上，亟待寻求一种大规模制备大尺寸自支撑碳管的方法。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种大规模制备大尺寸自支撑碳管的方法，该方法步骤简单，制备的碳管具有直径和长度可控。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种大规模制备大尺寸自支撑碳管的方法，其特征在于步骤如下：

S1、利用石英纤维（quartz wool）作为模板，通过化学气相沉积（CVD）法在模板上外延生长碳管；

S2、向S1得到的外延生长的材料中加入酸溶液进行浸泡以刻蚀去除模板，然后洗涤至中性，干燥，即得大尺寸自支撑碳管。本发明述及的“大尺寸”是指所制备的碳管的外直径为亚微米或微米级别。

较好地，石英纤维直径尺寸在150 nm~100μm。