[发明专利]一种有序排列的碳纳米管及其制备方法和专用装置

说明书

本发明涉及一种纳米材料，特别是涉及一种有序排列的碳纳米管材料及它的制备方法和专用装置。    

碳纳米管是一种由碳原子组成的直径为纳米量级的碳管，是在1991年由Iijima[Nature 354,56(1991)]在电弧放电的产物中首次发现的。碳纳米管作为一种新型的低维材料已引起科学家们极大的兴趣。碳纳米管的特殊结构决定了其具有高抗张强度和高度热稳定性。随着碳纳米管的长度、直径和螺旋方式的变化，碳纳米管可呈现出金属性或半金属性。碳纳米管具有良好的电输运性能。将其它元素装入碳纳米管中可制成具有特殊性能的低维材料。由于碳纳米管独特的机械和电学性质，可望其在纳米电子学、材料科学、生物学、化学等领域中发挥重要作用。Ebbesen等人在文献T.W.Ebbesen,P.M.Ajayan,Nature 356,(1992)220,Large-scale synthesis of carbon nanotubes中所描述制备碳纳米管的方法是：利用两个石墨棒为电极，其中一个直径为6mm作为阳极，另一个直径为9mm作为阴极，安置在同一个放电室内。放电室内充入500乇氦气，在电压为10～18伏，约100安培电流条件下，进行直流放电。不断消耗的石墨阳极在阴极上沉积下来形成碳纳米管。碳纳米管被包埋在所形成的沉积物的内部。由石墨向碳纳米管的转化率大约为25％。这种方法有几个主要缺点：(1)碳纳米管的产量很低。(2)所形成的碳纳米管不是有序的，而是和其它碳纳米颗粒混杂在一起，因此造成碳纳米管的纯度很低，难于进行提纯。(3)碳纳米管是在高温等离子体中形成的，碳纳米管的生长方向无法控制，所形成的碳纳米管是无序混乱的。(4)形成的碳纳米管较短。又如Ivanov等人在V.Ivanov,J.B.Nagy,Ph.Lambin,A.Lucas,X.B.Zhang,X.F.Zhang,D.Bemaerts,G.Van.Tendeloo,S.Amelinckx,J.Van Landuyt,ChemicalPhysics Letters 223,(1994)329文献中描述的制备方法是：将具有约9nm微孔的硅胶在硝酸钴水溶液中浸泡得到含有催化剂钴颗粒的衬底。然后，在500℃分别煅烧和还原2和8个小时。再将乙炔气体通入反应炉内，在500-800℃反应几个小时，生长出碳纳米管。这种方法的主要缺点是：(1)这些碳纳米管弯弯曲曲交织在一起，形成无序分布的碳纳米管。(2)在某些碳纳米管的表面附有非晶碳颗粒，而在碳纳米管的内部往往包含有催化剂颗粒，影响了碳纳米管的纯度。(3)用此法所制备的碳纳米管产量也十分低。

本发明目的在于克服上述已有技术中的缺点和不足，为了有效地控制碳纳米管的有序排列生长，和通过控制反应速度，而制备晶化程度高、纯度高和产量高的碳纳米管。从而提供一种在具有取向微孔的二氧化硅衬底内嵌入金属纳米颗粒的衬底，衬底放在碳纳米管生长室内，利用含碳气体，通过化学气相沉积，和利用金属纳米颗粒的催化效应和微孔的模板效应，在衬底上制备出有序排列的碳纳米管的方法。

本发明的目的是这样实现的：

1．本发明提供的有序排列的碳纳米管是有纯度高达99％以上、晶化程度高、直径为几个纳米或几十个纳米的碳纳米管组成的，

2．本发明用于制备碳纳米管的装置主要由炉体，配气系统，真空系统三部分组成。其各部分的连接关系和作用如下：(1)炉体的中心是碳纳米管生长室，它是放入管式炉内的，由不锈钢钢管或石英管做成的反应室。通过加热装置可以使碳纳米管生长室保持在不同的温度。以利于碳纳米管的生长。(2)配气系统。是由气路和气体质量流量计组成的。它由真空橡胶管连接在碳纳米管生长室的一端。利用它可以调整碳纳米管生长室内气体的种类、配比和流量。(3)真空系统。由机械泵和扩散泵组成。它由真空蝶阀和压力调节阀连接在碳纳米管生长室的另一端。利用它可以调节碳纳米管生长室内的真空度和反应气体的压力。

3．本发明提供一种制备有序排列的碳纳米管的方法，该方法分为含有过渡金属纳米颗粒(即催化颗粒)的微孔二氧化硅衬底的制备和碳纳米管的制备两部分：

(一)．制备含有过渡金属纳米颗粒的微孔二氧化硅衬底。

用溶胶-凝胶方法制备具有均匀分布取向孔的二氧化硅衬底，在孔中嵌入过渡金属纳米颗粒：

(1)．将过渡金属的氯酸盐或硝酸盐或草酸盐溶解于蒸馏水中，配制成浓度为0.1～2摩尔的溶液。其中氯酸盐包括：氯化铁、氯化钴、氯化镍等；硝酸盐包括：硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍等；草酸盐包括：草酸铁、草酸钴、草酸镍等。