[发明专利]单壁碳质毫微管有助于其溶剂化的化学衍生化以及经衍生化毫微管的用途

说明书

发明背景

发明领域

本发明涉及制备碳质毫微管(carbon nanotubes)的化学衍生物和经衍生化毫微管的用途，包括制备阵列(arrays)作为合成碳纤维的基础。

已有技术

富勒烯(fullerenes)是完全由以六边形和五边形排列的sp²杂化的碳组成的封闭式笼形分子。富勒烯(如C₆₀)最初被确认为由气化碳凝结制得的封闭式球形笼子。

在由气化碳制备球形富勒烯的碳弧方法中，富勒烯管以在阴极上的碳淀积物的形式制得。Ebbesen等(Ebbesen I)，“大规模合成碳质毫微管”，Nature，卷358，第220页(1992年7月16日)和Ebbesen等(Ebbesen II)“碳质毫微管”，Annual Review of Materials Science，卷24，页235(1994)。这种管在本文中被称为碳质毫微管。用这些方法制得的碳质毫微管中许多是多壁毫微管，即象同心圆柱体那样的碳质毫微管。已有技术中已说明了具有多达7层壁的碳质毫微管。Ebbesen II；Iijima等的“石墨碳的螺旋状微细管”，Nature，卷354，第56页(1999年11月7日).单壁毫微管的制备

已经制得了单壁碳质毫微管(SWNT)，其制法是在制备富勒烯所用类型的DC弧放电装置中，同时从弧放电装置的阳极蒸发碳和小百分数的VIII B过渡金属。参见Iijima等“1纳米直径的单壳碳质毫微管”，Nature，卷363，第603页(1993)；Bethune等的“具有单原子层壁的碳质毫微管的钴催化生长”，Nature，卷63，第605页(1993)；Ajayan等的“钴催化单壳碳质毫微管合成过程中的生长形态”，Chem.Phys.Lett.，卷215，第509页(1993)；Zhou等的“由YC₂颗粒辐射状生长单壁碳质毫微管”，Appl.Phys.Lett.卷65，第1593页(1994)；Seraphin等的“单壁管和毫微晶体在碳簇中的密封”，Electrochem.Soc.卷142，第290页(1995)；Saito等的“包封金属和碳化物的碳毫微胶囊”，J.Phys.Chem.Solids，卷54，第1849页(1993)、Saito等的“通过形成在气化源附近冷凝的小颗粒来挤出单壁碳质毫微管”，Chem.Phys.Lett.，卷236，第419页(1995)。还已知使用这些过渡金属的混合物能显著地提高弧放电装置中单壁碳质毫微管的产率。参见Lambert等的“分离单壳碳质毫微管的改进条件”，Chem.Phys.Lett.卷226，第364页(1994)。尽管弧放电过程可制备单壁毫微管，但是毫微管产率低，且混合物中各管之间结构和尺寸差异明显。各碳质毫微管难以与其它反应产物分离并进行纯化。

制备单壁毫微管的改进方法如题为“单壁碳质毫微管的绳”的美国申请08/687,665中所述，其内容完全参考结合于本发明中。该方法使用掺杂有过渡金属原子(较好是镍、钴或其混合物)的石墨基材的激光气化来制备单壁碳质毫微管，产率为凝结碳的至少50％。用该方法制得的单壁毫微管易于形成簇，也称为“绳”，它是10至1000个单壁碳质毫微管平行排列，通过范德华力在密堆积三角形晶格形式结合在一起的簇。由该方法制得的毫微管结构可以变化，尽管往往是一种结构占主要地位。

由单壁碳质毫微管制备碳纤维的方法说明于PCT专利申请PCT/US98/04513中，该申请参考结合于本发明中。碳纤维用大致二维阵列的SWNT分子制得(该大致二维阵列的SWNT分子由单壁毫微管以大致平行的取向通过范德华力聚集组成)，形成沿与毫微管取向大致垂直的方向延伸的单层。在该方法中，种子阵列管(seed array tubes)在其顶端(自由端)是开放的，有个催化剂簇沉积在该自由端上。然后提供气态碳源，使毫微管集合生长成为纤维。在涉及金属簇催化剂的多种方法中，重要的是提供合适数量的金属原子，以得到最佳尺寸的簇用来形成单壁毫微管。单壁毫微管的衍生化