[发明专利]一种直径可控、高纯度单壁碳纳米管的宏量制备方法

说明书

本发明涉及碳纳米管的结构控制制备领域，具体为一种直径可控、高纯度单壁碳纳米管的宏量制备方法。采用浮动催化剂化学气相沉积法，以氢气为载气，过渡金属为催化剂，硫为生长促进剂，通过调变反应体系热力学和动力学条件，实现了直径连续可调的、高纯度单壁碳纳米管的宏量制备。本发明制备的单壁碳纳米管纯度高、催化剂残留量仅为0.3～3wt％；单壁碳纳米管的结晶性好，集中抗氧化温度为780～840℃；碳转化率高达23～28％。本发明实现了直径可调、高纯度单壁碳纳米管的高效宏量制备，对单壁碳纳米管在能源、催化等领域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结构控制制备领域，具体为一种直径可控、高纯度单壁碳纳米管的宏量制备方法。

背景技术

单壁碳纳米管是一种一维中空管状材料，其直径通常为0.4～4nm，是真正意义上的纳米反应器。单壁碳纳米管狭长的纳米中空管腔已展现出许多不同于宏观表面的特点：超常的吸附行为和充填过程、分子尺度的化学反应试管；可实现诸多极限过程，如一维流体、一维纳米导线的模板制备，在一维反应空间中发生化学反应；可提供很多潜在的纳米器件，如纳米级储能载体、纳米反应试管、纳米传感器、一维导线模板、纳米级高压气瓶等。目前对“纳米试管”中分子级狭长管道所决定的物理化学过程的理解尚不够深入。仍需对其结构特点(直径和螺旋性)及所决定的化学过程进行系统研究，并着眼于这种“纳米反应器”的极限维度对分子运动的限制、对物理化学过程、对反应动力学的局域效应。基于此，单壁碳纳米管的直径控制十分关键。

化学气相沉积法因具有设备简单、易于操作、成本低、产物纯度高等优势，是目前制备单壁碳纳米管的主流方法。基于化学气相沉积法，科研人员在可控制备方面做了大量工作，主要是在化学气相沉积法制备过程中通过调控生长温度(文献1：Yao Y G,Li Q W,Zhang J,et al.Nat Mater,2007,6(4):283-286)、促进剂(文献2：Ren W C,Li F,Bai S,etal.J Nanosci Nanotechnol,2006,6(5):1339-1345)、催化剂及载体(文献3：Inoue S,Kikuchi Y.Chem Phys Lett,2005,410(4-6):209-212；文献4：Lolli G,Zhang L A,Balzano L,et al.J Phys Chem B,2006,110(5):2108-211)、碳源种类及流量(文献5：WangB,Poa C H P,Wei L,et al.J Am Chem Soc,2007,129(29):9014-901；文献6：Lu C G,LiuJ.J Phys Chem B,2006,110(41):20254-20257)、载气种类及流量(文献7：Yu H,Zhang Q,Zhang Q F,et al.Carbon,2006,44(9):1706-1712；文献8：Barreiro A,Kramberger C,Rummeli M H,et al.Carbon,2007,45(1):55-61)、反应体系真空度(文献9：Hiraoka T,Bandow S,Shinohara H,et al..Carbon,2006,44(9):1853-1859)等参数实现对碳纳米管直径的调控。虽然在单壁碳纳米管直径控制方面已取得了一定的进展，但仍有许多关键问题亟待解决：如可控生长机制不清、产量低、纯度低、结晶性差、碳源转化率低等(一般小于5％)，这限制了单壁碳纳米管的控制制备及其相关性能和应用研究。