[发明专利]一种三维阵列碳纳米管及其制备方法

说明书

本发明一种三维阵列碳纳米管及其制备方法，属于纳米材料制备技术领域；所述碳纳米管单根直径为30‑50nm,长度为2‑3μm。制备方法步骤为：步骤1：在基底上生长氧化物纳米阵列作为模板，并在烘箱中干燥完全；步骤2：在步骤1得到的氧化物纳米阵列上包覆碳层；步骤3：在400‑800℃下进行化学气相沉积CVD反应，在反应过程中去除模板以及完成表面碳化过程，最终得到所述三维阵列碳纳米管。本发明制备工艺简单，成本低廉，易于调控，可大规模生产。可用于催化、能源及复合材料等领域。与传统方式制备的无序堆叠的碳纳米管相比，本发明制备了高度有序的垂直氮掺杂碳纳米管(V‑CNTs)。

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，具体涉及一种三维阵列碳纳米管及其制备方法。

背景技术

在电化学储能器件中，优化载体的几何构型以及原子和电子结构会显著影响电化学活性和稳定性。单原子或纳米团簇分散在金属、金属氧化物、共价有机框架、金属有机框架和碳基材料等载体材料上，已被广泛应用于催化光化学和电化学反应。结构决定性质，三维纳米阵列结构具有相对有序、连续和完全暴露的活性表面，能够显著促进电极/电解质界面和电极内的质量运输和电荷转移，有望作为单原子和纳米团簇的优异载体。碳纳米管是具有连接完美六边形结构的中空管状一维纳米材料，由于其独特的结构(优异的长径比)和化学键(碳原子与碳原子之间的共价键),使得其力学、导电、导热及化学稳定性优异，同时比表面积大、表面原子不完全配位等优点，能够负载较多的活性位点。而且碳纳米管之间的间隙、结构中的各种缺陷，为活性物质提供了丰富的运输通道和存储空间。近年来，其在电化学储能、复合材料和其他电子领域应用广泛。

碳纳米管的制备方法主要有激光蒸发法、电弧放电法和化学气相沉积法。其中，激光蒸发法设备昂贵，合成成本高昂。电弧放电法，虽然碳纳米管生长速度快，但由于其所需温度较高，结构参数难以控制等原因，较少研究人员使用。化学气相沉积法，参数易于调控、生长温度低，已实现碳纳米管的批量生产。

目前，化学气相沉积法合成的碳纳米管，由于管与管之间强烈的相互作用力，导致其多呈无序堆叠状态，直接影响其表面活性物质的利用率，以及后续应用的反应动力学。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种三维阵列碳纳米管及其制备方法，所述纳米管单根直径为30-50nm,长度为2-3μm；首先在基底上生长氧化物纳米阵列作为模板，然后通过水热和化学气相沉积(CVD)两步法获得三维阵列碳纳米管。

本发明的技术方案是：一种三维阵列碳纳米管，所述碳纳米管单根直径为30-50nm,长度为2-3μm。

本发明的进一步技术方案是：所述碳纳米管至少掺杂氮、磷、硫和硼至少一种元素。

一种三维阵列碳纳米管的制备方法，具体步骤如下：

步骤1：在基底上生长氧化物纳米阵列作为模板，并在烘箱中干燥完全；

步骤2：在步骤1得到的氧化物纳米阵列上包覆碳层；

步骤3：在400-800℃下进行化学气相沉积CVD反应，在反应过程中去除模板以及完成表面碳化过程，最终得到所述三维阵列碳纳米管。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，基底为碳布、碳纸和电纺纤维中的至少一种。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，氧化物纳米阵列为四氧化三铁、氧化钴、氧化锰、氧化锡、氧化锌和氧化铜中的至少一种。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，氧化物纳米阵列的制备采用原子层沉积、水热或溶胶凝胶法辅助制备。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中，干燥温度为0-60℃；干燥方式为室温干燥、真空干燥或冷冻干燥中的至少一种。