[发明专利]一种单壁碳纳米管的浮动催化剂化学气相沉积方法

说明书

本发明涉及碳纳米管的控制制备技术领域，具体为一种单壁碳纳米管的浮动催化剂化学气相沉积方法。以氢气为载气、过渡金属为催化剂、硫为生长促进剂，在反应体系中引入痕量水蒸气，提高生长区内金属颗粒催化剂的催化效率及延长催化剂的寿命，实现高纯度、高结晶度单壁碳纳米管的高效生长。在优化条件下，碳源转化效率极高，可达25％；制得碳纳米管的直径均一、结晶度高，最高集中抗氧化温度达816℃；残余催化剂杂质极少，催化剂的含量低于1.1wt％。本发明方法兼具制备工艺的高效率和产物的高质量，为高质量单壁碳纳米管的宏量制备乃至产业化发展提供一条有效途径，对高质量单壁碳纳米管的规模化应用具有重要意义。

技术领域

本发明涉及碳纳米管的控制制备技术领域，具体为一种高转化率生长高纯度、高结晶度单壁碳纳米管的浮动催化剂化学气相沉积方法。

背景技术

单壁碳纳米管可看作是由单层石墨烯沿一定方向卷曲而成的无缝中空管状结构。这种结构的独特性使得单壁碳纳米管具有优异的力学性能、手性依赖的导电属性、弹道输运特性、优异的柔韧性及高化学稳定性等，可望在航空、航天、纳电子器件等高技术领域获得广泛应用。然而，要实现单壁碳纳米管在以上领域的应用，首先需要解决的瓶颈问题是高纯度、高质量的单壁碳纳米管的宏量、低成本制备。

化学气相沉积技术因工艺和设备简单、成本低廉、结构可控等优势，已成为目前制备单壁碳纳米管的主流方法。化学气相沉积法控制制备宏量单壁碳纳米管的工艺主要分为两大类，即担载法和浮动催化剂化学气相沉积法。已商业化生产的碳纳米管的制备主要采用担载法，即将催化剂浸渍/涂覆于某种基体上，如：多孔沸石、MgO、硅基片等，在适当的温度和碳源供给条件下，碳纳米管可从基体担载的催化剂上生长。采用这种方法制得的碳纳米管通常为粉末样品，其长度较短、多呈弯曲状、质量较低、需要后续处理去除担载催化剂的载体(文献1：Zhao MQ,Zhang Q,Huang JQ,Nie JQ,Wei F.Layered double hydroxidesas catalysts for the efficient growth of high quality single-walled carbonnanotubes in a fluidized bed reactor.Carbon,2010,48:3260–3270。文献2：deVilloria RG,Figueredo SL,Hart AJ,Steiner SA,Slocum AH,Wardle BL.High-yieldgrowth of vertically aligned carbon nanotubes on a continuously movingsubstrate.Nanotechnology,2009,20:405611)。

而浮动催化剂化学气相沉积法具有工艺流程简单、对设备要求低、易于实现连续或半连续生产等特点(文献3：Cheng HM,Li F,Su G,Pan HY,He LL,Sun X,DresselhausMS.Large-scale and low-cost synthesis of single-walled carbon nanotubes bythe catalytic pyrolysis of hydrocarbons.Appl Phys Lett,1998,72:3282–3284)。

目前，浮动催化剂化学气相沉积工艺已经可以制备出质量较高的单壁碳纳米管(文献4：Song Jiang,Peng-Xiang Hou,Mao-Lin Chen,Bing-Wei Wang,Dong-Ming Sun,Dai-Ming Tang,Qun Jin,Qing-Xun Guo,Ding-Dong Zhang,Jin-Hong Du,Kai-Ping Tai,Jun Tan,Esko I.Kauppinen,Chang Liu,Hui-Ming Cheng.Ultrahigh-performancetransparent conductive films of carbon-welded isolated single-wall carbonnanotubes Science Advances.2018；4:eaap9264)，但其生长效率和碳源转化率都很低，碳源转化率一般低于5％。