[发明专利]一种基于原子层沉积催化合成单壁碳纳米管的方法

说明书

本发明公开了一种基于原子层沉积催化合成单壁碳纳米管的方法，属于化学技术领域。本发明合成单壁碳纳米管的方法，是利用依次沉积有二氧化硅层和金属单质层的钢带作为催化剂，并以乙炔作为反应气进行反应，在钢带的表面催化合成得到单壁碳纳米管。本发明方法中催化剂反应充分并且利用率高，基底可以重复使用，连续生长的单壁碳纳米管一致性较好，具有非常好的工业化前景。

技术领域

本发明涉及一种基于原子层沉积催化合成单壁碳纳米管的方法，属于化学技术领域。

背景技术

近年来，碳纳米管作为优良的导电剂，已在新能源汽车锂离子电池行业得到广泛应用。显著提高了锂电池的容量、使用寿命和安全性。随着新能源汽车对锂离子电池提出高能量密度、更安全、更高倍率的充放电等要求，锂离子电池的性能提升迫在眉睫。

单壁碳纳米管相比多壁碳纳米管，具有更高的长径比、更好的机械强度、更高的柔韧性。作为导电剂添加到正负极材料中，能够在锂嵌入和脱出过程中，提供稳定和丰富的导电网络，并且有效地改善极片的力学性能。

目前单壁碳纳米管的合成方法主要是电弧放电法，通常是在惰性气氛下，相距几毫米的石墨在强电流的作用下产生电弧放电，消耗阳极，在阴极表面形成碳沉积物。该方法能耗高且产率低，目前市场价超过一千万元/吨，因此开发成本更低的合成方法对单壁碳纳米管更大范围地应用是非常重要的。

与电弧法相比，CVD法设备简单、温度较低、参数易控等优点，已经成为实验室和工业量产碳纳米管的主流方法。在CVD法合成碳纳米管工艺中，通过调控催化剂的结构设计可实现单壁碳纳米管的生长。ALD(原子层沉积)工艺通过表面饱和吸附，可实现原子层面的自限制生长，从而获得厚度精确可控，分布均匀的薄膜，可用来实现催化剂结构的调控，从而实现单壁碳纳米管的生长。

发明内容

本发明提供了一种合成单壁碳纳米管的方法，所述方法是利用依次沉积有二氧化硅层和金属单质层的钢带作为催化剂，并以乙炔作为反应气进行反应，在钢带的表面催化合成得到单壁碳纳米管。

在本发明的一种实施方式中，所述金属包括钴和/或铁。

在本发明的一种实施方式中，所述依次沉积有二氧化硅层和金属单质层的钢带中，二氧化硅层的厚度为15-30nm。

在本发明的一种实施方式中，所述依次沉积有二氧化硅层和金属单质层的钢带中，钴单质层的厚度为2-10nm。

在本发明的一种实施方式中，反应的温度为600℃，压力环境为0.5Kpa，反应时间为30min。

在本发明的一种实施方式中，在催化剂作用下，通入25m³/h氦气、25m³/h乙炔和5m³/h氢气反应制备单壁碳纳米管。

在本发明的一种实施方式中，所述催化剂通过如下方法制备得到：

钢带清洗，置于ALD腔体内；然后依次通入硅源前驱体蒸汽、惰性气体、氧源气体、惰性气体，循环多次，进行第一阶段沉积，得到沉积有二氧化硅层的钢带；再依次通入金属源前驱体蒸汽、惰性气体、还原性气体、惰性气体，循环多次，进行第二阶段沉积，得到依次沉积有二氧化硅层和金属单质层的钢带。

在本发明的一种实施方式中，硅源前驱体为硅烷。具体可选二氯硅烷、四氯硅烷。

在本发明的一种实施方式中，若金属为钴时，金属源前驱体选自如下一种或多种：双环戊二烯基钴、叔丁基烯丙基三羰基钴、二茂钴。

在本发明的一种实施方式中，若金属为铁时，金属源前驱体选自如下一种或多种：叔丁基二茂铁、三乙酰丙酮铁。

在本发明的一种实施方式中，第一阶段沉积、或者第二阶段沉积过程中，ALD沉积腔体的温度控制在350℃，沉积压力控制在0.3kpa。