CN116462188A - 提高碳纳米管纯度的方法及碳纳米管和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了提高碳纳米管纯度的方法及碳纳米管和用途，该方法包括：在含氢气氛下，对碳纳米管的生长基底进行第一加热处理；在氧化气氛下，对基底和在基底上生长的碳纳米管进行第二加热处理，以便得到纯化后的碳纳米管。该方法工艺过程简单，可操作性强，有利于提高碳纳米管的纯度，进而充分体现碳纳米管的本征性能，为超强超韧纤维、碳基芯片等未来高端应用奠定材料基础。
Description
技术领域
本发明属于材料领域，具体而言，涉及提高碳纳米管纯度的方法及碳纳米管和用途。
背景技术
碳纳米管是一种由sp2杂化的碳原子卷绕而成的一维碳纳米材料，其独特的原子和电子结构使其具有多方面的优异性质。例如，在力学性能方面，碳纳米管的拉伸强度和断裂伸长率均较高(拉伸强度可达100GPa以上，断裂伸长率可达15％以上)；在电学性能方面，碳纳米管独特的狄拉克锥形能带结构使其具有极高的迁移率(可达105cm2 V–1s–1以上)，是硅的100倍以上，半导体型碳纳米管还具有带隙，因而可以用于制备逻辑电子器件；在热学性能方面，碳纳米管的热导率较高(可达2000W m–1K–1以上)，并在空气中具有极高的传热系数(约为8.9×104W m–2K–1)；在光学性能方面，碳纳米管还具有光致发光和电致发光等特性，因而可以用于光电探测等领域。正是因为多方面的优异性质，碳纳米管在超强超韧纤维、透明导电膜、碳基集成电路等前沿领域具有巨大的应用潜力。然而，碳纳米管的洁净度和纯度会影响其性质与应用。因此，提高碳纳米管的纯度对于其性质研究和应用开发都具有非常重大的意义。
发明内容
本发明主要是基于以下问题和发现提出的：
碳纳米管中可能含有的杂质包括金属和无定形碳等，而这些杂质(或其前驱体)有可能是在碳纳米管生长前附着在碳纳米管的生长基底上，或是在碳纳米管生长过程中沉积到基底或碳纳米管阵列上。在生长过程中，有机物有可能会热解形成无定型碳，而金属离子则有可能被还原成单质金属，进而催化副反应的发生。同时，生长碳纳米管所用的碳源裂解后产生的含碳化合物也有可能沉积在基底和碳纳米管表面，形成无定形碳污染。由此可见，碳纳米管中杂质的来源多样，各种杂质及其前驱体的性质差异较大，并且各种杂质引入到水平阵列碳纳米管中的时机也不完全重合。而基底上的有机物残留会影响碳纳米管与金属电极间的接触，影响碳基电学器件的性能；碳纳米管上附着的无定形碳或基底上的金属残留会导致场效应管的短路，使器件丧失逻辑功能；无定形碳和金属会影响水平阵列碳纳米管的光学吸收，进而影响其光学应用等。因此，对于提高碳纳米管纯度的研究面临多重挑战，目前亟需发展一种高效、便捷、普适的纯化方法，以实现高纯度碳纳米管的制备。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出提高碳纳米管纯度的方法及碳纳米管和用途，该方法工艺过程简单，可操作性强，有利于提高碳纳米管的纯度，进而充分体现碳纳米管的本征性能，为超强超韧纤维、碳基芯片等未来高端应用奠定材料基础。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种提高碳纳米管纯度的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：
在含氢气氛下，对碳纳米管的生长基底进行第一加热处理；
在氧化气氛下，对所述基底和在所述基底上生长的碳纳米管进行第二加热处理，以便得到纯化后的碳纳米管。
根据本发明上述实施例的提高碳纳米管纯度的方法，首先在含氢气氛下，对碳纳米管的生长基底进行第一加热处理，不仅可以促使吸附于基底表面上的有机物和吸附分子发生分解和脱附，还可以使基底表面的金属离子与含氢气氛发生反应，生成金属盐和/或金属纳米颗粒并挥发至气相中，实现杂质的去除，此外，在含氢气氛和高温条件下，还可以实现基底表面的钝化，降低在碳纳米管生长过程中基底表面吸附杂质的风险；其次，由于碳纳米管的结构比无定形碳更加稳定，在同样的高温氧化条件下，碳纳米管的反应速率可以比无定形碳小多个数量级，本发明通过在氧化气氛下，对基底和在基底上生长的碳纳米管进行第二加热处理，可以利用高温气相反应将生长过程中沉积在基底表面或碳纳米管表面的无定型碳选择性地氧化刻蚀，从而进一步提高碳纳米管的纯度。总的来说，本发明通过将在碳纳米管生长前对生长基底的预处理与碳纳米管生长后对基底和在基底上生长的碳纳米管的后处理相结合，可以有效降低碳纳米管中各类杂质的含量，显著减少碳纳米管表面的无定形碳和金属等杂质的残留，以实现高纯度碳纳米管的洁净制备，避免或降低杂质对碳纳米管器件的影响，有利于发挥碳纳米管本征的优异性能，为超强超韧纤维、碳基芯片等未来高端应用奠定材料基础。
另外，根据本发明上述实施例的提高碳纳米管纯度的方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述含氢气氛包括氯化氢、磷化氢、硫化氢、氨气和氢气中的至少之一。
在本发明的一些实施例中，所述含氢气氛的气体流量为1sccm～10000sccm。
在本发明的一些实施例中，所述第一加热处理的温度为150℃～1800℃、时间为0.1min～3000min。
在本发明的一些实施例中，所述氧化气氛包括氧气、空气、二氧化碳、水蒸气和丙酮中的至少之一。
在本发明的一些实施例中，所述氧化气氛的气体流量为1sccm～10000sccm。
在本发明的一些实施例中，所述第二加热处理的温度为150℃～1800℃、时间为0.1min～3000min。
在本发明的一些实施例中，所述氧化气氛包括氧气和/或空气，所述第二加热处理的温度为250℃～750℃、时间为10min～180min。
在本发明的一些实施例中，所述氧化气氛为二氧化碳和/或水蒸气气氛，所述第二加热处理的温度为400℃～1100℃、时间为10min～240min。
在本发明的一些实施例中，所述氧化气氛为丙酮气氛，所述第二加热处理的温度为700℃～1500℃、时间为10min～360min。
在本发明的一些实施例中，所述碳纳米管为水平阵列碳纳米管。
在本发明的一些实施例中，所述基底包括硅片、石英片、陶瓷片和金属片中的至少之一。
在本发明的一些实施例中，对所述基底进行第一加热处理之前，对所述基底进行清洗。
在本发明的一些实施例中，在保护气氛下对所述第二加热处理得到的所述碳纳米管和所述基底进行冷却处理。
在本发明的一些实施例中，所述保护气氛包括氮气、惰性气体和氢气中的至少之一。
在本发明的再一方面，本发明提出了采用上述提高碳纳米管纯度的方法纯化得到的碳纳米管。与现有技术相比，该碳纳米管中各类杂质含量较低，有利于充分体现碳纳米管的本征优异性能，为超强超韧纤维、碳基芯片等未来高端应用奠定材料基础。
在本发明的再一个方面，本发明提出了采用上述方法或上述碳纳米管在超强超韧纤维纤维领域、导电膜领域、碳基芯片领域或碳基集成电路领域中的用途。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的提高碳纳米管纯度的方法流程图；
图2是根据本发明再一个实施例的提高碳纳米管纯度的方法流程图；
图3是根据本发明实施例2的碳纳米管的扫描电子显微镜图像；
图4是根据本发明对比例1的碳纳米管的扫描电子显微镜图像；
图5是根据本发明对比例2的碳纳米管的扫描电子显微镜图像；
图6是根据本发明对比例3的碳纳米管的扫描电子显微镜图像；
图7是根据本发明实施例3的碳纳米管的透射电镜图像；
图8是根据本发明实施4和对比例1的碳纳米管的拉曼光谱曲线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种提高碳纳米管纯度的方法。根据本发明的实施例，结合图1理解，该方法包括：
S100：含氢气氛下，对碳纳米管的生长基底进行第一加热处理
根据本发明的实施例，结合图2理解，通过在含氢气氛下，对碳纳米管的生长基底进行第一加热处理，不仅可以促使吸附于基底表面上的有机物和吸附分子发生分解和脱附，还可以使基底表面的金属离子与含氢气氛发生反应，生成金属盐和/或金属纳米颗粒并挥发至气相中，实现杂质的去除，此外，在含氢气氛和高温条件下，还可以实现基底表面的钝化，降低在碳纳米管生长过程中基底表面吸附杂质的风险。
在本发明的一些实施例中，本发明中对于含氢气氛的具体类型没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况灵活选择，例如，含氢气氛可以包括氯化氢、磷化氢、硫化氢、氨气和氢气中的至少之一。
在本发明的一些实施例中，含氢气氛的气体流量可以为1sccm～10000sccm，例如可以为5sccm、10sccm、50sccm、100sccm、500sccm、1000sccm、3000sccm、8000sccm等，通过控制含氢气氛的气体流量在上述范围，一方面可以保证第一加热处理在含氢气氛下进行，另一方面可以通过气流将高温分解和脱附的有机物和吸附分子，以及反应生成的金属盐和/或金属纳米颗粒吹扫脱离碳纤维生长基底，更有利于有效去除基底杂质。进一步地，含氢气氛的气体流量可选为200sccm～5000sccm，例如可以为300sccm、600sccm、900sccm、1200sccm、2000sccm、2500sccm、3500sccm、4000sccm或4500sccm等，由此既可以避免气体的过度浪费，又可以保证对基底纯化的效率和效果。需要说明的是，本发明中涉及的sccm为体积流量单位，指在标准状态下每分钟1立方厘米(1ml/min)的流量。
在本发明的一些实施例中，第一加热处理的温度可以为150℃～1800℃，例如可以为200℃、500℃、700℃、900℃、1300℃、1500℃或1700℃等，时间可以为0.1min～3000min，例如可以为1min、10min、50min、100min、500min、1000min、1500min、2000min或2500min等，发明人发现，若第一加热处理的温度过低或时间过短，一方面纯化效率较低，另一方面难以将基底表面残留的有机物、金属离子以及吸附分子去除彻底，影响后续碳纳米管的生长；若第一加热处理的温度过高或时间过长，又容易造成能源的过度浪费，增加加工成本。本发明通过控制第一加热处理的温度和时间在上述范围，有利于兼顾对生长基底的除杂效果和效率以及加工成本。
在本发明的一些实施例中，结合图2理解，可以在完成第一加热处理后的基底上进行碳纳米管的生长，本发明中对于碳纳米管的生长条件没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况灵活选择。
在本发明的一些实施例中，在对碳纳米管的生长基底进行第一加热处理之前，还可以对生长基底进行清洗，通过清洗，可以除去附着在基底表面的大部分有机物、吸附分子和金属等，更有利于促使在第一加热处理过程中，残留的少量有机物和吸附分子的分解和脱附，还有利于降低金属离子与含氢气氛作用生成的金属盐和/或金属纳米颗粒的粒径大小和比表面积，更有利于实现杂质分子在气相作用下的分离。需要说明的是，本发明中对于基底的清洗方式没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况灵活选择，例如可以依次采用丙酮、乙醇、水对基底进行超声清洗并干燥。
S200：在氧化气氛下，对基底和在基底上生长的碳纳米管进行第二加热处理，以便得到纯化后的碳纳米管
根据本发明的实施例，第二加热处理在碳纳米管的生长结束后进行，结合图2理解，由于碳纳米管的结构比无定形碳更加稳定，在同样的高温氧化条件下，碳纳米管的反应速率可以比无定形碳小多个数量级，本发明通过在氧化气氛下，对基底和在基底上生长的碳纳米管进行第二加热处理，可以利用高温气相反应将生长过程中沉积在基底表面或碳纳米管表面的无定型碳选择性地氧化刻蚀，从而进一步提高碳纳米管的纯度。其中，第二加热处理的温度与碳纳米管生长的温度可以相同也可以不同，当第二加热处理的温度与碳纳米管生长温度不同时，可以在碳纳米管生长完成后，在保护气氛条件下对基底和在基底上生长的碳纳米管进行升温或降温处理，当达到第二加热处理所需温度后，再通入氧化气氛，进行第二加热处理；当第二加热处理的温度与碳纳米管生长的温度相同时，仅需要在碳纳米管生长完成后直接通入氧化气氛即可。需要说明的是，本发明中对于保护气氛的具体类型没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况灵活选择，例如保护气氛可以包括氮气、惰性气体和氢气中的至少之一。
在本发明的一些实施例中，本发明中对于氧化气氛的具体类型没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况灵活选择，例如氧化气氛可以包括氧气、空气、二氧化碳、水蒸气和丙酮中的至少之一；再例如，氧化气氛可以包括氧气，如可以空气，或可以为氧气与氮气和/或惰性气体的混合气体等。
在本发明的一些实施例中，氧化气氛的气体流量可以为1sccm～10000sccm，例如可以为5sccm、10sccm、50sccm、100sccm、500sccm、1000sccm、3000sccm、8000sccm等，通过控制氧化气氛的气体流量在上述范围，一方面可以保证第二加热处理在氧化气氛下进行，另一方面还可以提高氧化气体对无定形碳氧化刻蚀的速度。进一步地，氧化气氛的气体流量可选为100sccm～5000sccm，例如可以为200sccm、300sccm、600sccm、900sccm、1200sccm、2000sccm、2500sccm、3500sccm、4000sccm或4500sccm等，由此既可以避免气体的过度浪费，又可以提高对无定形碳氧化的效率和效果。
在本发明的一些实施例中，第二加热处理的温度可以为150℃～1800℃，例如可以为200℃、500℃、700℃、900℃、1300℃、1500℃或1700℃等，时间可以为0.1min～3000min，例如可以为1min、10min、50min、100min、500min、1000min、1500min、2000min或2500min等，发明人发现，若第二加热处理的温度过低或时间过短，一方面氧化效率较低，另一方面难以将基底或碳纤维表面的无定型碳去除彻底，影响碳纳米管的纯度；若第二加热处理的温度过高或时间过长，不仅会造成能源的过度浪费，增加加工成本，还可能增大碳纤维发生氧化的风险。本发明通过控制第二加热处理的温度和时间在上述范围，有利于进一步提高对碳纤维以及基底的除杂效果以及加工成本。
在本发明的一些实施例中，当氧化气氛包括氧气和/或空气时，例如氧化气氛可以为纯氧气、纯空气、氧气与空气的混合气，或者氧化气氛也可以为氧气和/或空气与氮气和/或惰性气体的混合气，再例如，当氧化气氛包括氧气和/或空气时，氧化气氛中的氧含量可以不低于10％，例如氧含量可以不低于15％、20％、30％或40％等，此时，第二加热处理的温度可以为250℃～750℃，例如可以为300℃、400℃、600℃或650℃等，第二加热处理的时间为10min～180min，例如可以为20min、30min、60min、90min、150min或170min等；当氧化气氛为二氧化碳和/或水蒸气气氛时，第二加热处理的温度可以为400℃～1100℃，例如可以为450℃、600℃、850℃或1050℃等，第二加热处理的时间可以为10min～240min，例如可以为20min、30min、60min、90min、150min、190min或230min等；当氧化气氛为丙酮气氛时，第二加热处理的温度可以为700℃～1500℃，例如可以为750℃、900℃、1050℃、1250℃或1450℃等，第二加热处理的时间为10min～360min，例如可以为20min、60min、90min、150min、190min、250min、290min或350min等。在不同的氧化气氛下，通过控制第二加热处理的温度和时间在上述范围，有利于在保证无定型碳杂质被充分氧化刻蚀的同时，避免或降低碳纳米管被氧化的风险，更有利于得到高纯度、高性能的碳纳米管。
在本发明的一些实施例中，碳纳米管可以为水平阵列碳纳米管。根据碳纳米管的形貌不同，可将其分为聚团状碳纳米管、垂直阵列碳纳米管和水平阵列碳纳米管。其中，水平阵列碳纳米管是生长在平整基底上、平行排列的碳纳米管，其具有高长径比、高取向度和低缺陷浓度，具有优异结构、超低缺陷程度、厘米级以上长度以及优异的理化性质，是透明显示、微电子、量子线、场发射晶体管、超强纤维、航空航天等领域的尖端基础材料。而水平阵列碳纳米管的洁净度和纯度会显著影响其性质与应用，本发明通过采用上述方法有利于提高水平阵列碳纳米管的纯度，有效降低水平阵列碳纳米管中各类杂质的含量，有利于充分发挥水平阵列碳纳米管本征的优异性能。
在本发明的一些实施例中，本发明中对于碳纳米管生长基底的具体类型没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况灵活选择，例如基底可以包括但不限于硅片、石英片、陶瓷片和金属片中的至少之一。
在本发明的一些实施例中，在第二加热处理完成后还可以包括：在保护气氛下对第二加热处理得到的碳纳米管和基底进行冷却处理，由此可以避免冷却过程中的碳纳米管发生氧化，有利于进一步提高该方法的纯化效果。需要说明的是，本发明中对于保护气氛的具体类型没有特别限制，本领域技术人员可以根据实际情况灵活选择，例如保护气氛可以包括氮气、惰性气体和氢气中的至少之一。
综上，发明通过将在碳纳米管生长前对生长基底的预处理与碳纳米管生长后对基底和在基底上生长的碳纳米管的后处理相结合，可以有效降低碳纳米管中各类杂质的含量，显著减少碳纳米管表面的无定形碳和金属等杂质的残留，以实现高纯度碳纳米管的洁净制备，避免或降低杂质对碳纳米管器件的影响，有利于发挥碳纳米管本征的优异性能，为超强超韧纤维、碳基芯片等未来高端应用奠定材料基础。
在本发明的再一方面，本发明提出了采用上述提高碳纳米管纯度的方法纯化得到的碳纳米管。与现有技术相比，该碳纳米管中各类杂质含量较低，有利于充分体现碳纳米管的本征优异性能，为超强超韧纤维、碳基芯片等未来高端应用奠定材料基础。
在本发明的再一个方面，本发明提出了采用上述方法或上述碳纳米管在超强超韧纤维纤维领域、导电膜领域、碳基芯片领域或碳基集成电路领域中的用途。
下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
(1)在反应器中水平放置一片石英片，向反应器内通入氢气(体积流量为400sccm)和氯化氢(体积流量为1600sccm)的混合气，同时将反应器温度提升至1200℃并恒温5min，对生长水平阵列碳纳米管所用的基底进行预处理；
(2)使反应器温度改变至生长水平阵列碳纳米管所需的温度，同时通入生长水平阵列碳纳米管所需的气体，进行水平阵列碳纳米管的生长。生长结束后，用氩气(体积流量为1000sccm)将反应器内的气氛置换，使反应器温度改变至700℃。当反应器温度稳定后，将二氧化碳(体积流量为1000sccm)和空气(体积流量为1000sccm)的混合气体通入反应器并恒温180min，对所生长的水平阵列进行后处理。后处理结束后，将气氛切换回氩气(体积流量为1000sccm)，直至反应器自然冷却至室温。
实施例2
(1)在反应器中水平放置一片硅片，向反应器内通入氨气(体积流量为500sccm)和氯化氢(500sccm)的混合气，同时将反应器温度提升至1400℃并恒温60min，对生长水平阵列碳纳米管所用的基底进行预处理；
(2)使反应器温度改变至生长水平阵列碳纳米管所需的温度，同时通入生长水平阵列碳纳米管所需的气体，进行水平阵列碳纳米管的生长。生长结束后，用氮气(体积流量为800sccm)将反应器内的气氛置换，使反应器温度改变至400℃。当反应器温度稳定后，将氧气(体积流量为1000sccm)通入反应器并恒温60min，对所生长的水平阵列进行后处理。后处理结束后，将气氛切换回氮气(体积流量为800sccm)，直至反应器自然冷却至室温。
实施例3
(1)在反应器中水平放置一片石英片，向反应器内通入磷化氢(体积流量为600sccm)、硫化氢(体积流量为1400sccm)和氢气(体积流量为2000sccm)的混合气，同时将反应器温度提升至800℃并恒温300min，对生长水平阵列碳纳米管所用的基底进行预处理；
(2)使反应器温度改变至生长水平阵列碳纳米管所需的温度，同时通入生长水平阵列碳纳米管所需的气体，进行水平阵列碳纳米管的生长。生长结束后，用氩气(体积流量为2000sccm)和氢气(体积流量为2000sccm)的混合气将反应器内的气氛置换，使反应器温度改变至600℃。当反应器温度稳定后，将二氧化碳(体积流量为4000sccm)通入反应器并恒温240min，对所生长的水平阵列进行后处理。后处理结束后，将气氛切换回氩气(体积流量为2000sccm)和氢气(体积流量为2000sccm)的混合气，直至反应器自然冷却至室温。
实施例4
(1)在反应器中水平放置一片硅片，向反应器内通入氢气(体积流量为200sccm)，同时将反应器温度提升至1000℃并恒温15min，对生长水平阵列碳纳米管所用的基底进行预处理；
(2使反应器温度改变至生长水平阵列碳纳米管所需的温度，同时通入生长水平阵列碳纳米管所需的气体，进行水平阵列碳纳米管的生长。生长结束后，用氩气(体积流量为100sccm)和氢气(体积流量为100sccm)的混合气将反应器内的气氛置换，使反应器温度改变至600℃。当反应器温度稳定后，将二氧化碳(体积流量为300sccm)通入反应器并恒温90min，对所生长的水平阵列进行后处理。后处理结束后，将气氛切换回氩气(体积流量为100sccm)和氢气(体积流量为100sccm)的混合气，直至反应器自然冷却至室温。
实施例5
(1)在反应器中水平放置一片陶瓷片，向反应器内通入氨气(体积流量为50sccm)和硫化氢(体积流量为150sccm)的混合气，同时将反应器温度提升至700℃并恒温10min，对生长水平阵列碳纳米管所用的基底进行预处理；
(2)使反应器温度改变至生长水平阵列碳纳米管所需的温度，同时通入生长水平阵列碳纳米管所需的气体，进行水平阵列碳纳米管的生长。生长结束后，用氦气(体积流量为200sccm)将反应器内的气氛置换，使反应器温度改变至550℃。当反应器温度稳定后，将空气(体积流量为200sccm)通入反应器并恒温90min，对所生长的水平阵列进行后处理。后处理结束后，将气氛切换回氦气(体积流量为200sccm)，直至反应器自然冷却至室温。
对比例1
在反应器中水平放置一片硅片，使反应器温度改变至生长水平阵列碳纳米管所需的温度，同时通入生长水平阵列碳纳米管所需的气体，进行水平阵列碳纳米管的生长，生长完成后随反应器自然冷却至室温。
对比例2
在反应器中水平放置一片硅片，向反应器内通入氨气(体积流量为500sccm)和氯化氢(500sccm)的混合气，同时将反应器温度提升至1400℃并恒温60min，对生长水平阵列碳纳米管所用的基底进行预处理；使反应器温度改变至生长水平阵列碳纳米管所需的温度，同时通入生长水平阵列碳纳米管所需的气体，进行水平阵列碳纳米管的生长，生长完成后随反应器自然冷却至室温。
对比例3
在反应器中水平放置一片硅片，使反应器温度改变至生长水平阵列碳纳米管所需的温度，同时通入生长水平阵列碳纳米管所需的气体，进行水平阵列碳纳米管的生长。生长结束后，用氮气(体积流量为800sccm)将反应器内的气氛置换，使反应器温度改变至400℃。当反应器温度稳定后，将氧气(体积流量为1000sccm)通入反应器并恒温60min，对所生长的水平阵列进行后处理。后处理结束后，将气氛切换回氮气(体积流量为800sccm)，直至反应器自然冷却至室温。
其中，实施例1～5和对比例1～3中，水平阵列碳纳米管的生长条件相同。
结果与讨论
在相同条件下，对实施例1～5和对比例1～3得到的在基底上生长的水平阵列碳纳米管进行扫描电子显微镜、透射电镜和拉曼光谱分析，通过扫描电子显微镜、透射电镜的测试结果可知，与对比例1～3相比，实施例1～5得到碳纳米管具有较高的洁净度，不含有明显的金属颗粒和无定型碳等杂质，以实施例2～3、对比例1～3为例，实施例2和对比例1～3制得的碳纳米管的扫描电子显微镜图像分别如图3～6所示，不同放大倍率下的扫描电子显微镜图像表明实施例2制得的碳纳米管结构规整，纯度较高，杂质粒子含量低，而对比例1～3制得的碳纳米管杂质含量均较高；实施例3制得的碳纳米管的透射电镜图像如图7所示，同样可以表明，实施例3制得的碳纳米管具有较高的纯净度；由拉曼光谱分析结果可知，与对比例1～3相比，实施例1～5碳纳米管的拉曼光谱曲线中几乎不存在表示缺陷和无定型碳的D峰，以对比例1和实施例4制得的碳纳米管的拉曼光谱曲线为例(如图8所示)，实施例4制得的碳纳米管在1300cm-1～1400cm-1处无峰，而对比例1制得的碳纳米管则存在比较强烈的D峰，由此说明，通过采用本发明上述实施例的提高碳纳米管纯度的方法，可有效降低碳纳米管中各类杂质的含量，提高碳纳米管的纯度。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种提高碳纳米管纯度的方法，其特征在于，包括：
在含氢气氛下，对碳纳米管的生长基底进行第一加热处理；
在氧化气氛下，对所述基底和在所述基底上生长的碳纳米管进行第二加热处理，以便得到纯化后的碳纳米管。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，满足下列条件中的至少之一：
所述含氢气氛包括氯化氢、磷化氢、硫化氢、氨气和氢气中的至少之一；
所述含氢气氛的气体流量为1sccm～10000sccm；
所述第一加热处理的温度为150℃～1800℃、时间为0.1min～3000min。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述氧化气氛包括氧气、空气、二氧化碳、水蒸气和丙酮中的至少之一；和/或，
所述氧化气氛的气体流量为1sccm～10000sccm。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第二加热处理的温度为150℃～1800℃、时间为0.1min～3000min。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，满足下列条件中的至少之一：
所述氧化气氛包括氧气和/或空气，所述第二加热处理的温度为250℃～750℃、时间为10min～180min；
所述氧化气氛为二氧化碳和/或水蒸气气氛，所述第二加热处理的温度为400℃～1100℃、时间为10min～240min；
所述氧化气氛为丙酮气氛，所述第二加热处理的温度为700℃～1500℃、时间为10min～360min。
6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述碳纳米管为水平阵列碳纳米管；和/或，
所述基底包括硅片、石英片、陶瓷片和金属片中的至少之一。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括下列条件中的至少之一：
对所述基底进行第一加热处理之前，对所述基底进行清洗；
在保护气氛下对所述第二加热处理得到的所述碳纳米管和所述基底进行冷却处理。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述保护气氛包括氮气、惰性气体和氢气中的至少之一。
9.一种采用权利要求1～8中任一项所述的方法纯化得到的碳纳米管。
10.权利要求1～8中任一项所述的方法和/或权利要求9所述的碳纳米管在超强超韧纤维纤维领域、导电膜领域、碳基芯片领域或碳基集成电路领域中的用途。
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