CN101559939A - 碳纳米管制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种碳纳米管的制备方法，其包括以下步骤：提供一铜基底，对铜基底的表面进行抛光处理；将抛光处理后铜基底置于一加热炉中，通入保护气体后加热至400℃－800℃；向加热炉中通入碳源气，在400℃－800℃下生长碳纳米管一段时间。

Description

碳纳米管制备方法
技术领域
本发明涉及一种纳米材料的备方法，尤其涉及一种碳纳米管的制备方法。
背景技术
碳纳米管(Carbon Nanotube，CNT)是一种新型碳材料，由日本研究人员Iijima在1991年在电弧放电的产物中发现，请参见″Helical Microtubules ofGraphitic Carbon″，S.Iijima，Nature，vol.354，p56(1991)。碳纳米管具有优良的综合力学性能，如高弹性模量、高杨氏模量和低密度，以及优异的电学性能、热学性能和吸附性能。随着碳纳米管螺旋方式的变化，碳纳米管可呈现出金属性或半导体性质。由于碳纳米管的优异特性，因此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。
目前，制备碳纳米管的方法主要是化学气相沉积法(CVD)。化学气相沉积主要是运用过渡金属或其氧化物作为催化剂，在相对较低的温度下分解含碳的源气体，在所提供的基底上生长碳纳米管。
当碳纳米管应用于场发射显示器、电子枪、大功率行波管等器件时，因为场发射平面显示点阵的寻址要求具有良好的导电性且能够承载较大电流的电极；电子枪、大功率行波管等器件的阴极也需要能承载较大电流的基底，而对于这些应用，金属基底为最佳材料。
目前，由于碳纳米管的生长多以过渡金属为催化剂，由于这种过渡金属催化剂易与其他金属形成合金，从而使催化剂失去活性，导致无法正常生长碳纳米管，因此碳纳米管的生长多采用硅、二氧化硅、玻璃等材料作为基底，而无法在金属基底上生长碳纳米管。
Ch.Emmenegger揭示了一种在金属基底上形成碳纳米管阵列的方法，请参见“Carbon nanotube synthesized on metallic substrate”，Ch.Emmenegger，Applied Surface Science，vol.162-163，P452-456(2000)。他们通过在铝基底上涂敷上硝酸铁(Fe(NO3)3)，通过热处理使Fe(NO3)3涂层形成纳米级氧化铁(Fe2O3)颗粒，以纳米级的Fe2O3颗粒为催化剂，然后通入乙炔碳源气与保护气体的混合气体使碳纳米管阵列长出。但是，由于Fe2O3导电性能较差，使碳纳米管与金属基底的电性接触较差，限制了碳纳米管作为电子器件的应用。且，该方法需要经过热处理将过渡层处理为纳米级颗粒催化剂，增加了在金属基底上生长碳纳米管的工艺步骤，使成本较高。
因此，确有必要提供一种碳纳米管的制备方法，该方法可在金属基底上直接生长碳纳米管，无须在金属基底与碳纳米管之间增加过度层或催化剂，工艺简单，成本较低，适合大量生产。
发明内容
一种碳纳米管的制备方法，其包括以下步骤：提供一铜基底，对铜基底的表面进行抛光处理；将抛光处理后铜基底置于一加热炉中，通入保护气体后，加热至400℃-800℃；向加热炉中通入碳源气，在400℃-800℃下生长碳纳米管。
与现有技术相比较，本技术方案所提供的碳纳米管的制备方法，可直接在金属铜上生长碳纳米管，且无须在金属铜和碳纳米管之间增加过渡层，工艺简单，成本较低，适合大量生产。
附图说明
图1是本技术方案实施例的碳纳米管的制备方法的流程图。
图2是本技术方案实施例所制备的碳纳米管的扫描电镜照片。
图3是本技术方案实施例所制备的碳纳米管的透射电镜照片。
具体实施方式
以下将结合附图及具体实施例详细说明本技术方案所提供的碳纳米管的制备方法。
请参阅图1，本技术方案实施例提供一种制备碳纳米管的方法，具体包括以下步骤：
步骤一：提供一铜基底，对铜基底的表面进行抛光处理。
所述抛光处理的过程包括以下步骤：
首先，采用一600目-800目的砂纸沿第一方向反复摩擦铜基底的表面3分钟-5分钟。而后，除去铜基底表面因摩擦产生的粉末。
其次，采用一1000目-1300目的砂纸沿第二方向反复摩擦铜基底的表面5分钟-8分钟。而后，除去铜基底表面因摩擦产生的粉末。
最后，采用一1500目-2000目的砂纸沿第一方向反复摩擦铜基底的表面10分钟-15分钟。而后，除去铜基底表面因摩擦产生的粉末。
所述第一方向与第二方向之间形成一夹角α，0°＜α≤90°，优选地，α为90°。上述除去铜基底表面因摩擦产生的粉末的方法为风吹的方法，可采用吹风机等。
所述铜基底的具体形状不限，优选地，所述铜基底为一长方体状，该铜基底的厚度为0.5厘米-5厘米，其用于生长碳纳米管的表面的面积为4平方厘米-100平方厘米。
上述对铜基底表面进行抛光处理的目的为：其一，使铜基底表面尽可能平整和光滑，有利于碳纳米管的生长；其二，在对铜基底表面采用砂纸进行抛光处理的过程中，由于砂纸是沿不同的方向摩擦铜基底，且砂纸较细，因此在铜基底的表面会形成细小的网状划痕或沟槽。
步骤二：将抛光处理后铜基底置于一反应炉中，通入保护气体后，加热至400℃-800℃。
将上述抛光处理后的铜基底装入一反应舟中，该反应舟一般为石英舟，将反应舟装入反应炉中，该反应炉可为箱式加热炉或管式加热炉等，本实施例优选为管式加热炉，将反应舟置于管式加热炉中央，通入保护气体后，加热至400℃-800℃温度，优选地，加热至700℃。
在上述加热过程中，铜基底表面网状划痕或沟槽进一步形成大小均匀的铜颗粒，该铜颗粒为碳纳米管的生长提供晶核，起到催化剂的作用。该铜颗粒的直径为1纳米-10纳米，铜颗粒的密度与抛光时砂纸磨擦的次数和摩擦方向之间的夹角有关，摩擦的次数越多，摩擦方向之间的夹角越小，铜颗粒的密度越大。
步骤三：向加热炉中通入反应气，400℃-800℃温度下生长碳纳米管一段时间。
向加热炉中通入碳源气与保护气体的混合气体形成的反应气，其中碳源气为碳氢化合物，可为乙炔、乙烯等，由于碳源气在反应过程中首先需要裂解，而乙炔的裂解温度较低，故本实施例优选乙炔为碳源气。保护气体为惰性气体或氮气，本实施例优选为氮气。400℃-800℃温度下，生长碳纳米管5分钟-30分钟。由于铜基底形成有大小均匀的铜颗粒，该铜颗粒在碳纳米管的生长过程为碳纳米管的生长提供了晶核，即铜颗粒起催化剂的作用，使碳纳米管得以生长。冷却后，取出铜基底，在铜基底的表面形成有多个碳纳米管。
请参阅图2及图3，本实施例中所制备的碳纳米管在铜基底的表面无序排列，该碳纳米管的一端与铜基底连接，该碳纳米管的直径为5纳米-20纳米。
本技术方案所提供的碳纳米管的制备方法，可直接在金属铜上生长碳纳米管，且无须在金属铜和碳纳米管之间增加过渡层，工艺简单，成本较低，适合大量生产。
采用本技术方案的方法可直接在场发射显示器、电子枪、大功率行波管等电子器件的电极上形成碳纳米管，避免了先制备碳纳米管，再把碳纳米管粘附到所应用的器件上的复杂过程。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (11)

1.一种碳纳米管的制备方法，其包括以下步骤：
提供一铜基底，对铜基底的表面进行抛光处理；
将抛光处理后的铜基底置于一反应炉中，通入保护气体后，加热至400℃-800℃；以及
向加热炉中通入碳源气与保护气体的混合气体，在400℃-800℃下生长碳纳米管。
2.如权利要求1所述的碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述的对铜基底的表面进行抛光处理的过程包括以下步骤：
采用一600目-800目的砂纸沿第一方向反复摩擦铜基底的表面3分钟-5分钟；
采用一1000目-1300目的砂纸沿第二方向反复摩擦铜基底的表面5分钟-8分钟；以及
采用一1500目-2000目的砂纸沿第一方向反复摩擦铜基底的表面10分钟-15分钟。
3.如权利要求2所述的碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述的第一方向与第二方向之间形成一夹角α，0°＜α≤90°。
4.如权利要求2所述的碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述的对铜基底的表面进行抛光处理的过程进一步包括一去除铜基底表面因摩擦产生粉末的步骤。
5.如权利要求4所述的碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述的除去铜基底表面因摩擦产生的粉末的步骤为采用风吹的步骤。
6.如权利要求1所述的碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述的铜基底为一长方体。
7.如权利要求6所述的碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述的铜基底的厚度为0.5厘米-5厘米。
8.如权利要求1所述的碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述的反应炉为箱式加热炉或管式加热炉。
9.如权利要求1所述的碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述的保护气体为惰性气体或氮气。
10.如权利要求1所述的碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述的碳源气为乙炔或乙烯。
11.如权利要求1所述的碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述的碳纳米管的生长时间为5分钟-30分钟。
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