CN107986259B - 单壁碳纳米管及其制备方法和应用 - Google Patents

单壁碳纳米管及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种单壁碳纳米管的制备方法，包括提供用于制备单壁碳纳米管的反应装置，反应装置包括生成单壁碳纳米管的反应腔体，和用于提供碳源的碳源补给室，反应腔体分成上下两室，分别为反应室和液碳储存室；反应室包括经顶壁引入、且垂直于顶壁设置的转轴，转轴在远离顶壁的一端固定连接有基底，反应腔体的内壁设置有加热装置，反应腔体开设有通气口；在基底上沉积含掺杂元素的金属催化剂前驱体，在惰性气氛下，向液碳储存室中注入液碳，其中，掺杂元素为非金属元素；转动转轴，加热使液碳储存室中的液碳蒸发；继续加热至700‑1000℃后，通入还原气体，反应制备得到单壁碳纳米管。

Description

单壁碳纳米管及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于碳纳米管技术领域，尤其涉及一种单壁碳纳米管及其制备方法和应用。
背景技术
碳纳米管根据形成管壁的碳原子的层数可以分为单壁碳纳米管(SWNT)、双壁碳纳米管(DWNT)和多壁碳纳米管(MWNT)。其中，单壁碳纳米管可看作是由单层石墨层绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝空心管。单壁碳纳米管由卷成圆筒状的石墨层构成，具有极高的长径比，是典型的一维纳米材料。因单壁碳纳米管一维的管状分子结构(原子结构排列上的微小差异将导致碳纳米管光电性质的巨大区别)，表现出特殊的性质，如优异的力学、电学和光学等性质，例如：极高的杨氏模量、抗拉强度和热导率，因此，单壁碳纳米管在复合材料、新能源电池电极材料、光电子器件、生物医药、传热元件以及生物、化学传感器等不同领域具有潜在而广泛的应用价值。
目前制备单壁碳纳米管的方法中化学气相沉积法通常是：在基底表面沉积催化剂颗粒，通入气体碳源，在高温下催化裂解形成单壁碳纳米管。基于催化剂的选择、碳源的选择、温度的控制等因素，目前方法制备的单壁碳纳米管中容易含有多壁碳纳米管，杂质含量高，且形貌不均一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单壁碳纳米管及其制备方法，旨在解决现有的单壁碳纳米管的制备方法中，单壁碳纳米管的纯度低、形貌不可控的问题。
本发明的另一目的在于提供一种单壁碳纳米管的应用。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供单壁碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.提供用于制备单壁碳纳米管的反应装置，所述反应装置包括生成单壁碳纳米管的反应腔体，和用于提供碳源的碳源补给室，所述反应腔体分成上下两室，分别为反应室和液碳储存室，其中，所述液碳储存室与所述碳源补给室通过可控制开关的部件连接；所述反应室包括经顶壁引入、且垂直于所述顶壁设置的转轴，所述转轴在远离所述顶壁的一端固定连接有基底，所述反应腔体的内壁设置有加热装置，所述反应腔体开设有通气口；
步骤2.在所述基底上沉积掺杂元素的金属催化剂前驱体，在惰性气氛下，向所述液碳储存室中注入液碳，其中，所述掺杂元素为非金属元素；
步骤3.转动所述转轴，加热使所述液碳储存室中的液碳蒸发；
步骤4.继续加热至700-1000℃后，通入还原气体，反应制备得到单壁碳纳米管。
优选的，所述掺杂元素选自P、S、N中的至少一种。
优选的，所述掺杂元素的摩尔用量为所述金属催化剂前驱体中金属元素摩尔用量的0.1-5％。
优选的，所述基底上沉积的掺杂元素的金属催化剂前驱体的厚度为5nm-30nm。
优选的，所述向所述液碳储存室中注入液碳的步骤中，所述液碳的体积占所述反应腔体体积的1-10％。
优选的，所述转轴的转速为3-60r/min。
优选的，所述加热使所述液碳储存室中的液碳蒸发的步骤中，升温速率为3-20℃/min。
优选的，所述继续加热至700-1000℃的步骤中，升温速率为10-40℃/min。
优选的，收集制备得到的单壁碳纳米管，从所述碳源补给室向所述液碳储存室中注入液碳后，重复步骤2至步骤4，制备单壁碳纳米管。
相应的，一种由上述方法制备获得的单壁碳纳米管。
以及，一种上述单壁碳纳米管在锂离子电池技术领域中的应用。
与现有技术相比，本发明提供的单壁碳纳米管的制备方法，具有以下优点：
首先，以液态碳源作为原料，借助所述反应室中的所述加热装置将其蒸发，从而使气态碳源能均匀分散在所述催化剂附近，有利于生成单壁碳纳米管。
其次，本发明采用在基底上沉积金属催化剂前驱体的方式，具体的，通过在所述基底上先涂覆对应催化剂的金属催化剂前驱体，再在还原气氛及高温条件下还原得到均匀分散的金属催化剂颗粒，进而碳源基于均匀分散的金属催化剂颗粒生长，从而获得单壁碳纳米管(单壁碳纳米管基于催化剂颗粒生长，金属催化剂的粒径决定单壁碳纳米管的径向尺寸。当金属催化剂颗粒均匀分散，形成的单壁碳纳米管的径向尺寸具有很好的均一性)。进一步的，本发明采用含有非金属元素掺杂的金属催化剂，通过非金属元素的掺杂，使催化剂的析碳活性受到影响，从而影响催化剂不同位点产生石墨层的析碳速度，造成不同位点析碳速度的差异，导致空间上单壁碳纳米管生长发生偏离，当这种效应随时间不断加剧就会产生螺旋状的结构，从而生成螺旋结构的单壁碳纳米管。
再次，本发明将催化剂沉积在基底上，通过转轴带动基底转动，使得催化剂与碳源充分接触和反应；同时，通过给予单壁碳纳米管在生长过程中定向作用力，以形成一外部环境的干扰，从而助于形成螺旋结构的单壁碳纳米管，此外，通过给予单壁碳纳米管在生长过程中定向作用力，在单壁碳纳米管生长到一定长度后，可利于单壁碳纳米管从催化剂表面脱离，不仅使得最终生成的单壁碳纳米管在长度方向上较均一，而且单壁碳纳米管脱离后，催化剂继续用于催化生长单壁碳纳米管。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的用于制备单壁碳纳米管的反应装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
结合图1，本发明实施例提供了一种单壁碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.提供用于制备单壁碳纳米管的反应装置，所述反应装置包括生成单壁碳纳米管的反应腔体，和用于提供碳源的碳源补给室，所述反应腔体分成上下两室，分别为反应室和液碳储存室，其中，所述液碳储存室与所述碳源补给室通过可控制开关的部件连接；所述反应室包括经顶壁引入、且垂直于所述顶壁设置的转轴，所述转轴在远离所述顶壁的一端固定连接有基底，所述反应腔体的内壁设置有加热装置，所述反应腔体开设有通气口；
步骤2.在所述基底上沉积掺杂元素的金属催化剂前驱体，在惰性气氛下，向所述液碳储存室中注入液碳，其中，所述掺杂元素为非金属元素；
步骤3.转动所述转轴，加热使所述液碳储存室中的液碳蒸发；
步骤4.继续加热至700-1000℃后，通入还原气体，反应制备得到单壁碳纳米管。
与现有技术相比，本发明实施例提供的单壁碳纳米管的制备方法，具有以下优点：
首先，以液态碳源作为原料，借助所述反应室中的所述加热装置将其蒸发，从而使气态碳源能均匀分散在所述催化剂附近，有利于生成单壁碳纳米管。
其次，本发明实施例采用在基底上沉积金属催化剂前驱体的方式，具体的，通过在所述基底上先涂覆对应催化剂的金属催化剂前驱体，再在还原气氛及高温条件下还原得到均匀分散的金属催化剂颗粒，进而碳源基于均匀分散的金属催化剂颗粒生长，从而获得单壁碳纳米管(单壁碳纳米管基于催化剂颗粒生长，金属催化剂的粒径决定单壁碳纳米管的径向尺寸。当金属催化剂颗粒均匀分散，形成的单壁碳纳米管的径向尺寸具有很好的均一性)。进一步的，本发明实施例采用含有非金属元素掺杂的金属氧化物催化剂，通过非金属元素的掺杂，使催化剂的析碳活性受到影响，从而影响催化剂不同位点产生石墨层的析碳速度，造成不同位点析碳速度的差异，导致空间上碳纳米管生长发生偏离，当这种效应随时间不断加剧就会产生螺旋状的结构，从而生成螺旋结构的单壁碳纳米管。
再次，本发明实施例将催化剂沉积在基底上，通过转轴带动基底转动，使得催化剂与碳源充分接触和反应；同时，通过给予单壁碳纳米管在生长过程中定向作用力，以形成一外部环境的干扰，从而助于形成螺旋结构的单壁碳纳米管。此外，通过给予单壁碳纳米管在生长过程中定向作用力，在单壁碳纳米管生长到一定长度后，可利于单壁碳纳米管从催化剂表面脱离，使得最终生成的单壁碳纳米管在长度方向上较均一。
上述步骤1中，基于本发明实施例中制备单壁碳纳米管方法中的一系列特征，提供了一种用于本发明实施例单壁碳纳米管制备的特定反应装置。如图1所示，用于制备单壁碳纳米管的反应装置，所述反应装置包括生成单壁碳纳米管的反应腔体1，和用于提供碳源的碳源补给室2，反应腔体1分成上下两室，分别为反应室12和液碳储存室13，其中，液碳储存室13与碳源补给室2通过可控制开关的部件连接；反应室12包括经顶壁引入、且垂直于顶壁设置的转轴121，转轴121在远离所述顶壁的一端固定连接有基底122，反应腔体1的内壁设置有加热装置14，反应腔体1开设有通气口15。
具体的，反应腔体1为单壁碳纳米管的生成场所，反应腔体1分成上下两室，分别为反应室12和液碳储存室13，反应室12和液碳储存室13形成气流通路。其中，液碳储存室13用于储存待反应的液态碳源；反应室12由液碳储存室13以外的腔体空间构成，为加热制备单壁碳纳米管的场所。本发明中，从蒸发的气态碳源的在反应腔中的浓度考虑，液碳储存室13占反应腔体1的高度1/5-1/3，利于蒸发的气态碳源与基底122接触。
优选的，反应腔体1经透气隔板11分隔成形成反应室12和液碳储存室13。透气隔板11用于将从液碳储存室13蒸发的碳蒸汽均匀分散。优选的，透气隔板11设置有均匀分布的孔洞，从而有利于将蒸发的气态碳源均匀分散，进而促进基底122不同位置的单壁碳纳米管均一生长。所述孔洞的大小、孔洞与孔洞之间的距离没有严格限定，通常的，孔洞大小与孔洞数量成反比。
反应室12的顶壁引入垂直于顶壁(图中未标出)设置的转轴121，转轴121在远离所述顶壁的一端固定连接有基底122，用于将沉积在基底122上的含掺杂元素的金属催化剂前驱体或金属催化剂均匀转动，不仅利于催化剂与气体碳源的充分接触，而且能够提供定向作用力，促进反应形成螺旋结构的单壁碳纳米管。本发明实施例中，基底122与转轴121垂直。优选的，基底122呈圆盘状，从而有利于催化剂与气体碳源的充分接触。
反应腔体1的内壁设置有加热装置14，既用于将液态碳源加入蒸发成均匀分散在反应腔中的气态碳源，又用于为单壁碳纳米管的生成提供高温环境。加热装置14的位置和设置方式没有明确限定。加热装置14的位置可以均匀分散在内壁表面，也可以设置在反应腔体1的内壁中段。加热装置14的设置方式可以采用若干个独立的加热装置，也可以采用一体化加热装置。
反应腔体1开设有通气口15，用于抽真空、通入惰性气体、注入避免杂副反应的保护气体。通气口15的位置没有明确限定，也可以根据实际需要设置一个或多个并联的通气口15。
本发明实施例中，液碳储存室13与碳源补给室2通过可控制开关的部件(如阀门)连接，当液碳储存室13中液态碳源需要补充时，可通过调节开关的部件向液碳储存室13注入碳源。当然，碳源补给室2可以外接泵，当液碳储存室13液态碳源过量时，将液态碳源从液碳储存室13泵回碳源补给室2。
本发明实施例提供的用于制备单壁碳纳米管的反应装置，结合本发明实施例的制备方法，可以得到均一的螺旋结构的单壁碳纳米管，且可实现连续生产，产量大，纯度高。
上述步骤2中，在基底122上沉积掺杂元素的金属催化剂前驱体，再在还原气氛及高温条件下还原得到均匀分散的催化剂颗粒，进而碳源基于均匀分散的催化剂颗粒生长，从而获得单壁碳纳米管(单壁碳纳米管基于催化剂颗粒生长，催化剂的粒径决定单壁碳纳米管的径向尺寸。当催化剂颗粒均匀分散，形成的单壁碳纳米管的径向尺寸具有很好的均一性)。本发明实施例中，所述掺杂元素的金属催化剂前驱体中，金属催化剂前驱体为可以含有掺杂元素的金属氧化物。当然，也可以在基底122上沉积金属盐，经氧化处理形成金属氧化物膜，进一步在下述步骤4的高温和还原气体的条件下还原形成含有掺杂元素的金属催化剂。
本发明实施例中，金属催化剂前驱体中含有掺杂元素，所述掺杂元素为非金属元素。通常的，碳纳米管生成过程中，催化剂颗粒不同位点同时析碳形成碳纳米管。本发明实施例通过杂原子的引入，使催化剂的析碳活性受到影响，从而影响催化剂不同位点产生石墨层的析碳速度，造成不同位点析碳速度的差异，导致空间上碳纳米管生长发生偏离，当这种效应随时间不断加剧就会产生螺旋状的结构，从而生成螺旋结构的单壁碳纳米管。优选的，所述掺杂元素选自P、S、N中的至少一种。当然，所述掺杂元素不限于P、S、N，也可以是能够造成催化剂不同位点活性差异的其他元素。
所述掺杂元素的摩尔用量为所述金属催化剂前驱体中金属元素摩尔用量的0.1-5％。若所述掺杂元素的含量太低，不利于生成螺旋结构的单壁碳纳米管，而倾向于生长成直管；若所述掺杂元素的含量太高，会使催化剂颗粒的活性大大受到影响，生长速度慢，不利于形成螺旋结构的单壁碳纳米管。
所述含掺杂元素的金属催化剂前驱体中，可以含有一种金属元素，也可以含有两种金属元素，还可以含有两种以上金属元素，从而经步骤4的高温反应生成含掺杂元素的单金属催化剂，含掺杂元素的双金属催化剂，含掺杂元素的多金属催化剂。其中的金属元素可以选自第Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ族金属，也可以选自镧系金属、过渡金属。
本发明实施例中，所述含掺杂元素的金属催化剂前驱体中金属催化剂前驱体的选择，满足经步骤4的高温处理后，生成的含掺杂元素的金属催化剂的粒径为1-10nm，从而使得到的单壁碳管直径小、比表面积大(直径为1-10nm)，化学性能优异。
本发明实施例中，优选的，基底122上沉积的掺杂元素的金属催化剂前驱体的厚度为5nm-30nm。若所述掺杂元素的金属催化剂前驱体的厚度太厚，不利于催化剂的充分利用，降低反应速率。
在注入所述液碳前，提供惰性气氛，防止杂副反应的发生，优选的，可以抽真空处理后通入惰性气体。具体的，提供惰性气氛可以在步骤1或步骤2进行，本发明实施例没有严格顺序，只要保证注入液碳前提供惰性气氛即可。在液碳储存室13中注入液碳，所述液碳中不含C、H、O以外的元素，具体优选自乙醇、甲醇、丁醇、己醇、丙酮、柠檬酸、苹果酸中的至少一种，但不限于此。
上述步骤3中，转动转轴121，通过转轴121带动基底122旋转，将含掺杂元素的金属氧化物催化剂与蒸发的气态碳源充分混匀，促进反应的进行；同时，通过提供定向的作用力，以形成一外部环境的干扰，从而助于形成螺旋结构的单壁碳纳米管。优选的，所述转轴的转速为3-60r/min。若所述转轴的转速太快，易造成单壁碳纳米管形成的螺旋结构不稳定，而形成其他结构。采用3-60r/min的转速，可以得到长度为15-25μm的单壁碳纳米管；而且，可使生长一定长度如15-25μm的单壁碳纳米管从催化剂颗粒表面脱落，继续与碳源接触并生长。更优选的，所述转轴的转速为20-30r/min，从而获得结构稳定，均一的单壁碳纳米管。
通过加热装置14加热使所述液碳储存室中的液碳蒸发，形成均匀填充在反应腔体1中的碳蒸汽。优选的，所述加热使所述液碳储存室中的液碳蒸发的步骤中，升温速率为3-20℃/min，升温至液碳能够蒸发的温度，保持一段时间，使所述液碳均匀蒸发，并充分分散在反应腔体1中。
所述向所述液碳储存室中注入液碳的步骤中，所述液碳的体积占所述反应腔体体积的1-10％，使蒸发的碳源气体在所述反应腔体内具有合适的浓度。若蒸发的碳源气体浓度过高时，碳原子积聚在催化剂表面的速度大于碳原子在催化剂中的扩散速度，因此催化剂颗粒被无定型碳包覆，难以形成碳纳米管，或者容易生成多壁碳纳米管；蒸发的碳源气体浓度过低，碳的沉积量较少，碳纳米管的生长速度更慢。更优选的，所述液碳的体积占所述反应腔体体积的3-5％。
上述步骤4中，本发明实施例中，通过加热装置14继续加热至700-1000℃，此时，高温为单壁碳纳米管的生成做好温度准备。具体优选的，所述通过加热装置14继续加热至800℃，有利于单壁碳纳米管生长。优选的，所述继续加热至700-1000℃的步骤中，升温速率为10-40℃/min，有利于单壁碳纳米管的生成，且得到形貌均一的螺旋结构的单壁碳纳米管。
进一步的，在反应腔1中通入还原气体，在还原气氛及高温条件下，将基底122上的金属氧化物催化剂膜还原形成均匀分散的催化剂颗粒，从而为单壁碳纳米管的形成提供了条件，进而使得碳蒸汽在催化剂粒子的催化作用下，获得螺旋结构的单壁碳纳米管。其中，所述催化剂颗粒包括但不限于掺杂P、S、N中的至少一种的单金属催化剂体系，掺杂P、S、N中的至少一种的双金属催化剂体系，掺杂P、S、N中的至少一种的其他金属催化剂体系。具体的，所述催化剂颗粒可以是为Fe/P、Mo/S、Fe/N，Mo/P/Co、Co/P/Ni、Fe/P/Mo、Co/P/W、Fe/P/W、Ni/Fe/P/W、Co/P/Fe/S/Mo等体系，但不限于此。通过在催化剂颗粒上引入不同的组分，使合金颗粒存在相态或者成分的差异，进而诱发催化活性的差异。具体的，所述还原气体包括但不限于氢气。
本发明实施例中，可在收集制备得到的单壁碳纳米管后，从碳源补给室2向液碳储存室13中注入液碳后，重复步骤2至步骤4，制备单壁碳纳米管。
作为一种替代方案，所述步骤2中，直接在所述基底上沉积掺杂元素的金属催化剂，在所述液碳储存室中注入液碳，其中，所述掺杂元素为非金属元素。其中，所述金属催化剂包括但不限于掺杂P、S、N中的至少一种的单金属催化剂体系，掺杂P、S、N中的至少一种的双金属催化剂体系，掺杂P、S、N中的至少一种的其他金属催化剂体系。具体的，所述催化剂颗粒可以是为Fe/P、Mo/S、Fe/N，Mo/P/Co、Co/P/Ni、Fe/P/Mo、Co/P/W、Fe/P/W、Ni/Fe/P/W、Co/P/Fe/S/Mo等体系，但不限于此。通过在催化剂颗粒上引入不同的组分，使合金颗粒存在相态或者成分的差异，进而诱发催化活性的差异。
下面结合具体实施例进行说明。
实施例1
一种单壁碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.提供如图1所示的用于制备单壁碳纳米管的反应装置，抽真空，通入惰性气体；
步骤2.在所述基底上沉积P掺杂的氧化镍，在所述液碳储存室中注入乙醇；
步骤3.以15r/min的转速转动所述转轴，以5℃/min的升温速率加热使所述液碳储存室中的液碳蒸发；
步骤4.以20℃/min的升温速率继续加热至700-1000℃，通入氢气，制备得到单壁碳纳米管。
实施例2
一种单壁碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.提供如图1所示的用于制备单壁碳纳米管的反应装置，抽真空，通入惰性气体；
步骤2.在所述基底上沉积S掺杂的Fe、Sn金属氧化物，在所述液碳储存室中注入柠檬酸；
步骤3.以25r/min的转速转动所述转轴，以8℃/min的升温速率加热使所述液碳储存室中的液碳蒸发；
步骤4.以25℃/min的升温速率继续加热至700-1000℃，通入还原气体，制备得到单壁碳纳米管。
实施例3
一种单壁碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.提供如图1所示的用于制备单壁碳纳米管的反应装置，抽真空，通入惰性气体；
步骤2.在所述基底上沉积N掺杂的Fe、Ni金属氧化物，在所述液碳储存室中注入苹果酸；
步骤3.以30r/min的转速转动所述转轴，以10℃/min的升温速率加热使所述液碳储存室中的液碳蒸发；
步骤4.以30℃/min的升温速率继续加热至700-1000℃，通入还原气体，制备得到单壁碳纳米管。
实施例4
一种单壁碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.提供如图1所示的用于制备单壁碳纳米管的反应装置，抽真空，通入惰性气体；
步骤2.在所述基底上沉积N掺杂的Fe、Ni金属氧化物，在所述液碳储存室中注入丙酮；
步骤3.以26r/min的转速转动所述转轴，以8℃/min的升温速率加热使所述液碳储存室中的液碳蒸发；
步骤4.以28℃/min的升温速率继续加热至700-900℃，通入还原气体，制备得到单壁碳纳米管。
对比例1
一种单壁碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：
在固定(不可旋转)基底上沉积金属催化剂，基底置于反应室中，直接向反应室中通入含碳气体，在800℃反应，得到单壁碳纳米管。
对比例2
一种单壁碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：
在基底(不可旋转)上沉积掺杂P的金属催化剂，基底置于反应室中，向反应室中通入含碳气体，在800℃反应，得到单壁碳纳米管。
对比例3
一种单壁碳纳米管的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤2.在所述基底上沉积氧化镍，在所述液碳储存室中注入乙醇。
对比例4
一种单壁碳纳米管的制备方法，与实施例1的不同之处在于：步骤3.转轴不转动，以5℃/min的升温速率加热使所述碳储存室中的液碳蒸发。
应当说明的是，本发明提供的对比例，是用于解释说明本发明技术方案中技术特征对应提供的技术效果的对比例，而非现有技术。
收集实施例1-4与对比例1-4制备的单壁碳纳米管，比较其单壁碳纳米管(SWCNT)以及的螺旋结构单壁碳纳米管的含量，结果如下表1所示。
表1
SWCNT含量 螺旋结构SWCNT的含量
实施例1 95％ 90％
实施例2 97％ 94％
实施例3 96％ 92％
实施例4 96％ 96％
对比例1 72％ 0
对比例2 75％ 56％
对比例3 94％ 80％
对比例4 90％ 82％
由表1可见，本发明实施例1-4制备得到的碳纳米管中，单壁碳纳米管(SWCNT)的纯度高，其含量可高达97％，而螺旋结构的单壁碳纳米管的含量可高达96％。
对比例4制备得到的碳纳米管，由于转轴不转动，没有形成定向的作用力，不利于单壁碳碳纳米管、特别是螺旋结构的单壁碳纳米管的生成。因此，对比例4制备得到的单壁碳纳米管的含量为90％，而螺旋结构的单壁碳纳米管的含量为82％。
对比例3制备得到的碳纳米管，由于催化剂中不含有非金属掺杂元素，催化剂的析碳活性不受影响，催化剂颗粒在不同位点同时析碳，不利于螺旋结构的单壁碳纳米管的生成。因此，对比例1制备得到的单壁碳纳米管的含量为94％，而螺旋结构的单壁碳纳米管的含量为80％。
对比例2制备得到的碳纳米管，一方面，由于转轴不转动，没有形成定向的作用力，不利于单壁碳碳纳米管、特别是螺旋结构的单壁碳纳米管的生成；另一方面，直接通入含碳气体，不利于含碳气体在催化剂表面均匀分散，影响了单壁碳纳米管的生成。因此，对比例2制备得到的单壁碳纳米管的含量为75％，而螺旋结构的单壁碳纳米管的含量为56％。
对比例1制备得到的碳纳米管，一方面，由于转轴不转动，没有形成定向的作用力，不利于单壁碳碳纳米管、特别是螺旋结构的单壁碳纳米管的生成；另一方面，直接通入含碳气体，不利于含碳气体在催化剂表面均匀分散，影响了单壁碳纳米管的生成。此外，由于催化剂中不含有非金属掺杂元素，催化剂的析碳活性不受影响，催化剂颗粒在不同位点同时析碳，不利于螺旋结构的单壁碳纳米管的生成。因此，对比例1制备得到的单壁碳纳米管的含量为72％，而螺旋结构的单壁碳纳米管的含量为0，即得到的碳纳米管为碳纳米管直管。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.提供用于制备单壁碳纳米管的反应装置，所述反应装置包括生成单壁碳纳米管的反应腔体，和用于提供碳源的碳源补给室，所述反应腔体分成上下两室，分别为反应室和液碳储存室，其中，所述液碳储存室与所述碳源补给室通过可控制开关的部件连接；所述反应室包括经顶壁引入、且垂直于所述顶壁设置的转轴，所述转轴在远离所述顶壁的一端固定连接有基底，所述反应腔体的内壁设置有加热装置，所述反应腔体开设有通气口；
步骤2.在所述基底上沉积含掺杂元素的金属催化剂前驱体，在惰性气氛下，向所述液碳储存室中注入液碳，其中，所述掺杂元素为非金属元素；
步骤3.转动所述转轴，加热使所述液碳储存室中的液碳蒸发；
步骤4.继续加热至700-1000℃后，通入还原气体，反应制备得到单壁碳纳米管。
2.如权利要求1所述的单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述掺杂元素选自P、S、N中的至少一种。
3.如权利要求1所述的单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述反应腔体设置有用于分隔所述反应室和所述液碳储存室的透气隔板。
4.如权利要求1所述的单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述掺杂元素的摩尔用量为所述金属催化剂前驱体中金属元素摩尔用量的0.1-5％和/或所述基底上沉积的含掺杂元素的金属催化剂前驱体的厚度为5nm-30nm。
5.如权利要求1所述的单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述向所述液碳储存室中注入液碳的步骤中，所述液碳的体积占所述反应腔体体积的1-10％。
6.如权利要求1所述的单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述转轴的转速为3-60r/min。
7.如权利要求1所述的单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述加热使所述液碳储存室中的液碳蒸发的步骤中，升温速率为3-20℃/min；和/或
所述继续加热至700-1000℃的步骤中，升温速率为10-40℃/min。
8.如权利要求1-7任一项所述的单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于，收集制备得到的单壁碳纳米管，从所述碳源补给室向所述液碳储存室中注入液碳后，重复步骤2至步骤4，制备单壁碳纳米管。
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