CN102320590A - 铜基体上直接生长单双螺旋纳米碳纤维的方法 - Google Patents

铜基体上直接生长单双螺旋纳米碳纤维的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铜基体上直接生长单双螺旋纳米碳纤维的方法，属于碳纳米材料的制备技术。该方法过程包括：配制不同浓度Ni/Y的催化剂溶液，对铜片进行氩气等离子体处理，再将铜片在以上溶液中浸渍、真空干燥，然后将铜片放在反应炉中通入乙炔、氩气和氢气的混合气体，进行催化裂解反应，在铜片表面得到单双螺旋纳米碳纤维。本发明的优点在于，采用电子工业中常用的Cu材为基体，通过控制基体的预处理方式、催化剂的掺杂及生长工艺等，在不添加任何扩散阻断层的情况下直接在铜基体上生长出了质量好和纯度高的单双螺旋纳米碳纤维，而且制备过程和设备简单，易于实现和推广。

Description

铜基体上直接生长单双螺旋纳米碳纤维的方法
技术领域
本发明涉及一种铜基体上直接生长单双螺旋纳米碳纤维的方法，属于碳纳米材料的制备技术。
背景技术
自从螺旋状碳纤维被发现以来，许多研究者对它进行了广泛的研究。螺旋状纳米碳纤维除了具有一般碳纤维的耐热性、化学稳定性、热膨胀率低、耐摩擦、低密度等优异性能外，其特殊的螺旋结构使其具有优异的力学性能、电磁性能和光学特性，可望用于微波吸收材料、电极材料、生化反应剂、触觉传感器等。
制备螺旋碳纤维一般采用基体法，在石墨或者陶瓷等非金属基片上分散纳米级催化颗粒的“种粒”，在高温下通入烃类气体热解，在催化剂颗粒上析出纳米螺旋碳纤维。但是直接在金属基体上生长螺旋状纳米碳纤维还没有相关的报道，因为金属基体不同于不同于陶瓷等不导电基体，大部分金属的活性较高，在高温下与催化剂容易发生反应，从而影响其活性，制约碳纤维的生长，因此控制催化剂与基体的反应，保持催化剂活性是在金属基体上制备CNFs的关键。目前常采用的方法主要是在导电基体与催化剂之间添加Al2O3等中间薄层阻断催化剂与金属基体的扩散等反应。对于许多应用，如显示器、电池电极、芯片互联和电子封装等，要求材料具有很高的导电和导热性能，这就需要CNFs与导电基体(金属等)进行连接。而且，降低金属基体与CNFs之间的接触电阻也是纳米电子器件设计面临的主要挑战之一。
为了降低连接CNFs和金属基体的接触电阻，一个最明显有效的方法就是在金属基体上直接生长CNFs，特别是在铜基体上直接生长CNFs。
发明内容
本发明目的在于提供一种铜基体上直接生长单双螺旋纳米碳纤维的方法，该方法具有过程简单，制备的单双螺旋碳纳米材料具有质量和纯度高等优点。
本发明是通过以下技术方案实现的，一种铜基体上直接生长单双螺旋纳米碳纤维的方法，其特征在于包括以下过程：
1)将铜基体进行抛光后，分别用去离子水、丙酮和乙醇超声清洗，然后在温度25-30℃下干燥，并进行氩气等离子处理0.5-3min；
2)按镍与钇的摩尔比为(1-5)∶1，将硝酸镍和硝酸钇加入去离子水中，配制0.01-0.05mol/L硝酸镍和硝酸钇的溶液；
3)将步骤1)处理的铜基体置入步骤2)的溶液中，浸渍20-40秒，经真空干燥箱中在80-100℃下干燥1-4小时，将其放入石英舟中，在石英反应管的恒温区，在氩气保护下以升温速率10℃/min升至温度200-400℃，恒温煅烧1-4小时，得到了负载有催化剂的铜基体；
4)将步骤3)所制得的负载有催化剂的铜基体铺展在石英舟中，将石英舟置于石英反应管恒温区，在氩气保护下，以升温速率10℃/min石英反应管升至温度750℃-850℃后，以流速为200-300mL/min向石英反应管通入氩气、氢气和乙炔气的混合气进行催化裂解反应0.2h-1h，其中，氩气、氢气和乙炔气的体积比为(100-400)∶(30-150)∶(5-100)，然后在氩气氛围下将炉温降至室温，得到铜基体上生长单双螺旋纳米碳纤维。
本发明具有以下优点：采用电子工业中常用的Cu材为基体，通过控制基体的预处理方式、催化剂的掺杂及生长工艺等，在不添加任何扩散阻断层的情况下直接在铜基体上生长出了质量好和纯度高的单双螺旋纳米碳纤维，而且制备过程和设备简单，易于实现和推广。
附图说明
图1为本发明实施例一制得的单双螺旋状碳纤维中双螺旋碳纳米纤维的SEM照片。
图2为本发明实施例二制得的单双螺旋状碳纤维中单螺旋碳纳米纤维的SEM照片。
具体实施方式
实施例一
将抛光的直径12mm，厚度3mm铜片分别在蒸馏水、丙酮和无水乙醇中超声清洗20分钟，然后将清洗干燥的铜片进行两分钟氩气等离子处理，分别称取0.29g六水硝酸镍和0.126g六水硝酸钇，溶入50mL去离子水中，配制成0.02mol/L的溶液，再将铜片在此溶液中浸渍20秒，然后置于真空干燥箱中100℃下真空干燥一个小时，在铜片上得到了催化剂的前驱体；将负载有催化剂前驱体的铜片置于直径60mm石英管反应炉的中部恒温区域，通入氩气保护，以10℃/min使温度升高到250℃，在此温度下保持三个小时，使铜片表面的硝酸盐煅烧完全，以10℃/min再将温度升高到800℃，然后通入乙炔、氩气和氢气的混合气体，三种气体的流量分别问20mL/min、180mL/min、50mL/min，在800℃下生长30min，在铜片上直接生长得到纯度较高的单双螺旋状碳纤维。
实施例二
将抛光的直径12mm，厚度3mm铜片分别在蒸馏水、丙酮和无水乙醇中超声清洗20分钟，然后将清洗干燥的铜片进行半分钟氩气等离子处理，分别称取0.145g六水硝酸镍和0.063g六水硝酸钇，溶入50mL去离子水中，配制成0.01mol/L的溶液，再将铜片在此溶液中浸渍20秒，然后置于真空干燥箱中80℃下真空干燥两个小时，在铜片上得到了催化剂的前驱体；将负载有催化剂前驱体的铜片置于直径60mm石英管反应炉的中部恒温区域，通入氩气保护，以10℃/min使温度升高到350℃，在此温度下保持两个小时，使铜片表面的硝酸盐煅烧完全，以10℃/min再将温度升高到850℃，然后通入乙炔、氩气和氢气的混合气体，三种气体的流量分别问50mL/min、150mL/min、50mL/min，在850℃下生长10min，在铜片上直接生长得到了纯度较高的单螺旋和双螺旋碳纤维。
实施例三
将抛光的直径12mm，厚度3mm铜片分别在蒸馏水、丙酮和无水乙醇中超声清洗20分钟，然后将清洗干燥的铜片进行五分钟氩气等离子处理，分别称取0.58g六水硝酸镍和0.252g六水硝酸钇，溶入100mL去无水乙醇中，配制成0.02mol/L的溶液，再将铜片在此溶液中浸渍20秒，然后置于真空干燥箱中80℃下真空干燥两个小时，在铜片上得到了催化剂的前驱体；将负载有催化剂前驱体的铜片置于直径60mm石英管反应炉的中部恒温区域，通入氩气保护，以10℃/min使温度升高到300℃，在此温度下保持两个小时，使铜片表面的硝酸盐煅烧完全，以10℃/min再将温度升高到820℃，然后通入乙炔、氩气和氢气的混合气体，三种气体的流量分别问60mL/min、180mL/min、60mL/min，在820℃下生长15min，在铜片上直接生长得到纯度较高的单双螺旋状碳纤维。
实施例四
将抛光的直径12mm，厚度3mm铜片分别在蒸馏水、丙酮和无水乙醇中超声清洗20分钟，然后将清洗干燥的铜片进行三分钟氩气等离子处理，分别称取0.725g六水硝酸镍和0.315g六水硝酸钇，溶入50mL去离子水中，配制成0.05mol/L的溶液，再将铜片在此溶液中浸渍20秒，然后置于真空干燥箱中100℃下真空干燥一个小时，在铜片上得到了催化剂的前驱体；将负载有催化剂前驱体的铜片置于直径60mm石英管反应炉的中部恒温区域，通入氩气保护，以10℃/min使温度升高到400℃，在此温度下保持一个小时，使铜片表面的硝酸盐煅烧完全，以10℃/min再将温度升高到750℃，然后通入乙炔、氩气和氢气的混合气体，三种气体的流量分别问20mL/min、200mL/min、50mL/min，在750℃下生长30min，在铜片上直接生长得到纯度较高的单双螺旋状碳纤维。
实施例五
将抛光的直径12mm，厚度3mm铜片分别在蒸馏水、丙酮和无水乙醇中超声清洗20分钟，然后将清洗干燥的铜片进行两分钟氩气等离子处理，分别称取0.145g六水硝酸镍和0.063g六水硝酸钇，溶入50mL去离子水中，配制成0.01mol/L的溶液，再将铜片在此溶液中浸渍20秒，然后置于真空干燥箱中80℃下真空干燥两个小时，在铜片上得到了催化剂的前驱体；将负载有催化剂前驱体的铜片置于直径60mm石英管反应炉的中部恒温区域，通入氩气保护，以10℃/min使温度升高到300℃，在此温度下保持两个小时，使铜片表面的硝酸盐煅烧完全，以10℃/min再将温度升高到800℃，然后通入乙炔、氩气和氢气的混合气体，三种气体的流量分别问30mL/min、160mL/min、80mL/min，在800℃下生长20min，在铜片上直接生长得到了纯度较高的单螺旋和双螺旋碳纤维。

Claims (1)

1.一种铜基体上直接生长单双螺旋纳米碳纤维的方法，其特征在于包括以下过程：
1)将铜基体进行抛光后，分别用去离子水、丙酮和乙醇超声清洗，然后在温度25-30℃下干燥，并进行氩气等离子处理0.5-3min；
2)按镍与钇的摩尔比为(1-5)∶1，将硝酸镍和硝酸钇加入去离子水中，配制0.01-0.05mol/L硝酸镍和硝酸钇的溶液；
3)将步骤1)处理的铜基体置入步骤2)的溶液中，浸渍20-40秒，经真空干燥箱中在80-100℃下干燥1-4小时，将其放入石英舟中，在石英反应管的恒温区，在氩气保护下以升温速率10℃/min升至温度200-400℃，恒温煅烧1-4小时，得到了负载有催化剂的铜基体；
4)将步骤3)所制得的负载有催化剂的铜基体铺展在石英舟中，将石英舟置于石英反应管恒温区，在氩气保护下，以升温速率10℃/min石英反应管升至温度750℃-850℃后，以流速为200-300mL/min向石英反应管通入氩气、氢气和乙炔气的混合气进行催化裂解反应0.2h-1h，其中，氩气、氢气和乙炔气的体积比为(100-400)∶(30-150)∶(5-100)，然后在氩气氛围下将炉温降至室温，得到铜基体上生长单双螺旋纳米碳纤维。
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