[发明专利]一种制备单层碳纳米管的方法

说明书

本发明涉及一种制备单层碳纳米管的方法。该方法是一种可以大量、高产率地合成单层碳纳米管的方法。

碳纳米管自1991年被发现以来，就成为富勒烯领域的重要组成部分，是物理学、化学和材料科学等学科中最前沿的研究领域之一。出于碳纳米管具有独特的结构，对其进行研究具有重大的理论意义和许多潜在的应用价值。Iijima等以及Bethune等(Nature，1993，363，603-605)用电弧蒸发含有催化剂的石墨电极时，在其所获得的烟炱中发现单层碳纳米管以来，已有许多关于合成单层碳纳米管的报道文献。Seraphin等以及Saito等(Appl.Phys.Lett.，1994，64：2087，Z.Phys.D，1997，40：421)用Fe/Ni为催化剂，通过直流电弧法合成了单层碳纳米管；Dai等(Chem.Phys.Lett.，1996，260：471)以MoO_x为催化剂，用一氧化碳在高温下的化学气相沉积(CVD)法，合成了单层碳纳米管。用上述各种方法得到的产品中，单层碳纳米管的含量均很低。1996年后单层碳纳米管的合成产率有了显著的提高。Smalley等(Science，1996，273，483)用激光法获得～70％纯度的单层碳纳米管，Journet等(Nature，1997，388，756)利用含Y和Ni的石墨棒为阳极的直流电弧放电，在阴极沉积物的冠状物中得到高纯度的单层碳纳米管；Saito等(Chem.Phys.Lett.，1998，294：593)利用Rh/Pt为催化剂，通过直流电弧法合成了单层碳纳米管。上述方法制得的单层碳纳米管的纯度虽很高，但产量却甚低。

本发明的目的是针对上列方法的缺陷，提供一种能大量而又高产率地合成单层碳纳米管的方法。

本发明的制备单层碳纳米管的方法包括：

1.催化剂的制备：用电弧融炼法制备合金MNi_n，其中n＝2或5，M选自Sc、Y、和镧系元素La～Lu中的任一种，Pm除外。或者选用碱土金属Ca、Sr或Ba，以通用的方法制成其碳化物，再将之与镍粉(150-200目)以摩尔混合比为，碱土金属∶镍＝1∶0.5-2混合成二者的混合物；

2.石墨棒的制备：将光谱纯石墨粉与以上1中所述的催化剂粉末按摩尔比，石墨∶催化剂＝100∶1.5-5混合，加入石墨粘结剂，调匀后，压制成φ6×150mm的石墨棒，于1000-1100℃惰性气氛中灼烧而成阳极石墨棒；以上述制石墨棒的同样方法，制成φ8mm光谱纯的石墨棒，用作阴极；；

3.单层碳纳米管的制备：以2中制得的阳极石墨棒为阳极，以光谱纯的石墨棒为阴极，在电流为40～60A和氦气压为600～1520mmHg的条件下，进行直流电弧放电，得到布状烟炱，其中单层碳纳米管的含量大于等于40％。

使用本发明方法，由石墨棒到烟炱的转化率为80％～90％，每天可生产布状烟炱20～30克。产物经扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(HREM)观察和拉曼光谱表征，其中单层碳纳米管的含量为40％～70％或更高。这些单层碳纳米管以单层碳纳米管束的形式存在，单层碳纳米管束的直径为20～30纳米，长度超过15微米(准确长度无法测定)，其中含钙、含钇和含钡催化剂制得的单层碳纳米管，其直径分别为0.9-1.1纳米、1-1.4纳米和1.4-1.6纳米，含其它稀土元素的催化剂制得的单层碳纳米管的直径均为1.1-1.4纳米，长度与单层碳纳米管束接近。

本发明方法的优异特点和效果：

1.采用直流电弧法设备简单、生产成本低，且能达到大量生产的要求。

2.首次用易粉碎并在空气中较稳定的合金或金属碳化物为催化剂，使反应物均匀混合，得到了高产率的单层碳纳米管；

3.首次使用碱土金属碳化物为催化剂，获得了高产率的单层碳纳米管；

4.使用不同的催化剂，首次发现并获得不同直径分布的单层碳纳米管；

5.这种大量的、不同直径分布的单层碳纳米管的制备，为单层碳纳米管的电子学研究和应用研究打下了良好的基础。

附图简要说明：

图1.为用Y-Ni合金作催化剂制备的布状烟炱的扫描电子显微镜照片。

其中a显示烟炱的大部分表面，它含有大量的单层碳纳米管束，同时伴有碳纳米颗粒；

b显示很容易找到含有高密度、纯净单层碳纳米管束的区域。