[发明专利]大直径、窄直径分布单壁碳纳米管的宏量、可控制备方法

说明书

本发明涉及单壁碳纳米管的结构控制制备领域，具体为一种大直径、窄直径分布单壁碳纳米管的宏量、可控制备方法。采用浮动催化剂化学气相沉积法宏量制备大直径单壁碳纳米管，实现直径大于2nm、且直径分布范围较窄的单壁碳纳米管的宏量可控制备；其中，95％以上的碳纳米管直径分布于2.1～2.7nm，87％以上的碳纳米管直径分布于2.1～2.5nm；单壁碳纳米管的纯度高、杂质少，催化剂残留量低于4.1wt％；单壁碳纳米管的结晶性高，最高抗氧化温度为809℃。利用液相法纺出的单壁碳纳米管纤维具有更高的电导率，为研究单壁碳纳米管的纳米限域效应、管内填充物质的奇异物理、化学特性提供材料基础，有望应用于催化、生物、医药等领域。

技术领域

本发明涉及单壁碳纳米管的结构控制制备领域，具体为一种大直径、窄直径分布单壁碳纳米管的宏量、可控制备方法。

背景技术

碳纳米管具有纳米尺度的一维中空管腔，在纳米尺度局域空间中，客体分子的排列方式可能完全不同于宏观表面，可发生很多极限物理化学过程，因此碳纳米管也被认为是最小的“化学试管”。从被发现起，碳纳米管极大的长径比以及接近理想的一维纳米中空管腔就引起化学家们的浓厚兴趣，碳纳米管中空管腔被预言可用作纳米试管、虹吸管、超级吸附剂、催化剂载体、储能材料、电极材料等。

目前，科研人员可以在尺度为1至几十纳米的碳纳米管管腔内填充各种材料(文献1：Xianglong Zhao,Feng Li,et al..Advanced Functional Materials.2017.27(9):1605717)。这些填充有纳米颗粒的碳纳米管复合材料在催化(文献2：Xiulian Pan，XinheBao.Accounts of Chemical Research.2011.44(8):553–562；文献3：Serp Philippe,Castillejos Eva.Chemcatchem.2010.2(1):41–47)、电化学储能(文献4：Lota Grzegorz,Frackowiak Elzbieta,et al..Chemical Physics Letters.2007.434(1-3):73–77；文献5：Dangsheng Su,Gabriele Centi.Journal of Energy Chemistry.2013.22(2):151–173)、纳电子器件(文献6：R Hatakeyama.,Y.F.Li.Journal of AppliedPhysics.2007.102(3):034309)、纳米医学(文献7：Balaji Sitharaman,KyleR.Kissell,etal..Chemical Communications.2005.(31):3915–3917；文献8：Balaji Sithararnan,LonJ Wilson.International Journal of Nanamedicine.2006.1(3):291–295)等领域展现出优异的性能。而且，研究表明随着碳纳米管直径的减小，碳纳米管的限域效应越明显。因此，单壁碳纳米管是最理想的纳米反应器。然而，通常制备的单壁碳纳米管的直径均小于2nm，在其中空管腔内填充材料极其困难。而直径在2～3nm的大直径单壁碳纳米管既具有限域效应，同时具有大于常规单壁碳纳米管的中空管腔，可降低材料填充难度，在作为纳米反应器方面具有优势。

同时，大直径单壁碳纳米管由于拥有更小的带隙、更高的载流子浓度、管间接触面积大，可有效降低管间接触电阻，在构建高导电性单壁碳纳米管薄膜和单壁碳纳米管纤维方面也更具优势(文献9：Jose M Marulanda,Ashok Srivastava.Physica Status SolidiB-basic Solid State Physics.2008.245(11):2558-2562；文献10：Y Battie,L Broch,etal..Carbon.2015.83：32-39；文献11：Hongzhang Geng,Ki Kang Kim,et al..Nano.2007.2(3):157-167)。