CN102205957A - 一种在多壁碳纳米管中生成碳链的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在多壁碳纳米管中生成碳链的方法，也即碳纳米线的制备方法，属于纳米技术领域。本发明中碳纳米线的制备方法包括三个步骤：首先，用氢电弧蒸发纯石墨棒，在阴极堆积物中得到最内层管管径约0.7nm的多壁碳纳米管。然后，将上述多壁管样品在空气中进行热处理，得到除去其它碳杂质的干净的多壁碳纳米管。最后，在惰性气体气氛中，高温处理上述样品。本发明提供一种新的在多壁碳纳米管样品中再生长碳链的方法，对于碳纳米线的研究有很大帮助，并且可以应用于碳纳米线的大量制备。

Description

一种在多壁碳纳米管中生成碳链的方法

技术领域

本发明涉及一种是多壁碳纳米管中生成碳链的方法，也即碳纳米线的制备方法，属于纳米技术领域。

背景技术

碳纳米线是在碳纳米管的中心包含一根数百个sp杂化的碳原子连接形成的一维长链所组成的结构。2003年，赵新洛等人在利用氢电弧法制备出的多壁碳纳米管中发现了碳纳米线(Zhao X.L. et al. Phys. Rev. Lett. 2003, 187401)。他们是在氢气气氛中，在两个纯石墨电极棒之间激发直流电弧制备的。2004年，Jinno M.等人在氢气氮气的混合气体气氛和氘气气氛中利用电弧法分别制备出碳纳米线 (Jinno M. et al. Chem. Phys. Let. 2004, 398: 256-259). 2008年，Castriota M.等人在氦气中利用电弧法制备出碳纳米线 (Castriota M. et al. Surf. Sci. 2007, 601: 3926-3932)。2010年，Compagnini G.等人在液氮中，利用电弧法制备出碳纳米线 (Compagnini G. et al. J. Optoelectron. Adv. M. 2010, 12: 456-460)。2010年，Chen B.等人在含有催化剂La和Y的阳极，与纯石墨棒阴极之间，利用氢电弧法也制备出了碳纳米线(Chen B. et al. J. Nanosci. Nanotechno. 2010, 10: 4038-4042)。以上方法制备的碳纳米线中的碳链都是存在于同时生长的多壁碳纳米管内。2006年，Endo M.等人高温处理双壁碳纳米管，在两个双壁碳纳米管管壁相互联结之处，形成了连接两个双壁碳纳米管的碳链(Endo M et al. Small 2006, 2: 1031-1036)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在多壁碳纳米管中生成碳链的方法，此方法基于含小直径最内层管的多壁碳纳米管的制备、空气处理和高温处理过程。

本发明一种在多壁碳纳米管中生成碳链的方法，其特征在于具有以下的过程和步骤：

a. 含小直径最内层管的多壁碳纳米管的制备

含小直径最内层管的多壁碳纳米管由氢以弧法制得；采用氢气的压强控制在60～80Torr；阴极和阳极均为圆柱形纯石墨材料制成；阴极和阳极的直径分别为10mm和6mm；两极之间的距离为1～2mm；直流电流大小为40～70A；

b. 在空气中热处理多壁碳纳米管

将上述步骤得到的多壁碳纳米管在空气气氛中500～550℃进行热处理1～12h；该过程为作提纯作用的热处理；

c. 在保护性气体下高温处理

将上述空气处理过的含小直径最内层管的多壁碳纳米管置于以石墨为炉腔的高温炉中，炉腔内充有高纯度的保护性气体氩气或氦气；加热介温至1200～1700℃，并保温1～5h；最终在多壁碳纳米管中生成碳链，也即得到碳纳米线。

高温处理后的多壁碳纳米管在外表形貌上变化不大，说明得到的碳纳米线在常温下可稳定存在。多壁碳纳米管最内层管中一维碳原子链的形成机理还不太确定，目前有以下两种解释：一是高温使得多壁碳纳米管内的无定形碳原子重新排布形成一维碳原子链；二是高温下多壁碳纳米管外的碳原子的布朗运动加剧，碳原子逐步进入刚好容纳一个碳原子大小的多壁碳纳米管管腔中，经过足够长的时候后，先后进入碳纳米管中的碳原子前后排列就形成了一维碳原子链。

附图说明

图1制备的含小直径最内层管的多壁碳纳米管的扫描电子显微镜照片（SEM）。

图2 空气处理后的多壁碳纳米管的扫描电子显微镜照片（SEM）。

图3 高温处理前后多壁碳纳米管的拉曼光谱图（Raman）。

具体实施方式

现将本发明的具体实施例叙述于后。

实施例

本实施例中的制备步骤如下：

(1) 含小直径最内层管的多壁碳纳米管的制备

多壁碳纳米管样品由氢电弧法制备得到。氢气压强为70 Torr；两电极均为圆柱形纯石墨材料，阴极和阳极的直径分别是10 mm和6 mm，两电极之间的间距为约1.5mm；直流电流大小为50 A。

(2) 空气处理多壁管样品

将上述步骤得到的样品在空气气氛中520 ℃进行处理12 h。

(3) 高温处理多壁碳纳米管样品

将步骤(2)得到的多壁碳纳米管样品置于以石墨为炉腔的高温炉中，炉腔内充满高纯度的保护性气体如氩气、或氦气。升温至1500 ℃后，保温2小时，即可得到碳纳米线样品。

碳纳米线形成的必备条件的探讨：

要形成碳纳米线必须具备以下四个条件：

第一，多壁碳纳米管的最内层管直径必须大小合适，约0.7nm。碳纳米管的直径太小，则碳原子无法进入碳纳米管管腔；直径太大，则无法约束碳链在管腔内稳定存在。

第二，在空气中处理足够长的时间是必须的。经实验证实，没有经过空气处理的多壁管样品高温处理不出碳纳米线。 空气处理可以将多壁碳纳米管两边端口打开，这样碳原子才可以进入到多壁碳纳米管的内部。

第三，高温处理的温度适当。温度太高，则碳纳米线不能稳定存在；温度太低，则碳原子的运动缓慢，无法使较多的碳原子进入碳纳米管。

第四，处理时间要长短适当。处理时间过长会破坏碳纳米管的结构，影响碳纳米线的形成；处理时间太短，就没有足够多的碳原子进入碳纳米管，从而无法形成碳纳米线。

仪器检测

实施例中的样品通过各项仪器检测，所得结果示于各附图中。

图1是制备的含小直径最内层管的多壁碳纳米管的扫描电子显微镜照片。可以看出多壁管长度较长，但含有较多碳杂质。

图2是空气处理后的多壁碳纳米管的扫描电子显微镜照片。可以看出碳杂质基本被处理掉，实验证明杂质少、纯度高有利于碳纳米线的生成。

图3是处理前后样品的Raman光谱图。可以计算出，未处理前，多壁碳纳米管的最内层管直径在0.7 nm附近 ( Raman峰在388 cm^-1)，并且高温处理没有对它形成破坏，符合碳纳米线形成的必备条件。在高温处理后，波数为1855 cm^-1附近出现了一个半高宽很窄 (～10 cm^-1)的峰，是碳纳米线的特征峰，波数为3700 cm^-1附近出现的峰，是碳纳米线特征峰（1855 cm^-1）的二阶峰，这是碳纳米线存在的证据。

Claims (1)

1.一种在多壁碳纳米管中生成碳链的方法，其特征在于具有以下的过程和步骤：

    a. 含小直径最内层管的多壁碳纳米管的制备

    含小直径最内层管的多壁碳纳米管由氢以弧法制得；采用氢气的压强控制在60～80Torr；阴极和阳极均为圆柱形纯石墨材料制成；阴极和阳极的直径分别为10mm和6mm；两极之间的距离为1～2mm；直流电流大小为40～70A；

    b. 在空气中热处理多壁碳纳米管

    将上述步骤得到的多壁碳纳米管在空气气氛中500～550℃进行热处理1～12h；该过程为作提纯作用的热处理；

    c. 在保护性气体下高温处理

    将上述空气处理过的含小直径最内层管的多壁碳纳米管置于以石墨为炉腔的高温炉中，炉腔内充有高纯度的保护性气体氩气或氦气；加热介温至1200～1700℃，并保温1～5h；最终在多壁碳纳米管中生成碳链，也即得到碳纳米线。

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