CN1868867A - 碳纳米管的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纳米管的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)提供一基底；(2)沉积多层催化剂层于基底；(3)通入碳源气体生长碳纳米管。其中该每一催化剂层包括铁膜、碳膜及位于二者之间的钒膜。

Description

碳纳米管的制备方法

【技术领域】

本发明涉及一种碳纳米管的制备方法。

【背景技术】

碳纳米管是一种由碳原子组成的直径为纳米量级的中空管状物，在碳纳米管石墨层中央部份为六元环，而在末端或转折部份则有五元环或七元环。碳纳米管是于1991年由Lijima在电弧放电的产物中首次发现，发表在1991年出版的Nature第354期第56-58页上。

碳纳米管的特殊结构决定其具有优良的综合力学性能，如高弹性模量、高杨式模量与低密度，以及优异的电学性能、热学性能及吸附性能。随着碳纳米管的长度、直径及螺旋方式的变化，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有电弧放电法、脉冲镭射蒸发法及化学气相沉积法等。电弧放电及脉冲雷射蒸发法形成的碳纳米管具有碳纳米管产量低、碳纳米管与其它纳米颗粒混杂以使碳纳米管纯度低等缺点。目前主要使用化学气相沉积法制备碳纳米管，该方法主要是运用纳米尺度的过度金属或其氧化物作为催化剂，在一定温度下热解含碳的气体来制备碳纳米管。

但是，现有技术的催化剂一般为单层膜设计，经还原气体下的热处理后形成纳米级颗粒，该等纳米级催化剂颗粒在基底分布不均匀，碳源气体分解产生的碳沉积于含该颗粒的区域上生长为碳纳米管，因此碳纳米管也分布不均匀。

【发明内容】

以下，将以实施例说明一种分布均匀的碳纳米管的制备方法。

为实现上述内容，提供一种碳纳米管的制备方法，其包括以下步骤：

(1)提供一基底；

(2)沉积多层催化剂层于基底；

(3)通入碳源气体生长碳纳米管。

其中，该每一催化剂层包括Fe(铁)、C(碳)及位于二者之间的V(钒)膜，沉积过程中先沉积Fe，然后依次沉积V、C，催化剂大约为10-30层，铁膜的厚度大约为10-30纳米、优选为6纳米，钒膜的厚度大约为1-5纳米、优选为2纳米，碳膜的厚度大约为3-18纳米、优选为5纳米。

与现有技术相比，本实施例提供的碳纳米管的制备方法，采用多层含Fe、V、C的催化剂，高温状态下Fe、V、C将均匀互融并发生相应化学反应生成Fe₃C、VC，降至室温时，过饱和的C将析出并均匀分布在Fe₃C、VC的周围，碳源气体因热分解而产生的C以过饱和C为基础生长为碳纳米管，因过饱和的C为均匀分布，因此生长的碳纳米管也是均匀分布。

【附图说明】

图1是本发明实施例的流程图。

图2是本发明沉积有催化剂层的基底示意图。

图3是本发明多层催化剂层的放大图。

【具体实施方式】

请参阅图1，其是本发明实施例提供的碳纳米管的制备方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤1是提供一基底。本步骤所提供的基底用作生长碳纳米管的支撑基底，该基底可选用Si(硅)、Ta(钽)、Ni(镍)、Ag(银)、不锈钢或者其它合金。

步骤2是沉积多层催化剂层于基底。在步骤1提供的基底上沉积n层催化剂，该每一催化剂层包括Fe膜、C膜及位于二者之间的V膜。其中，n可为10-30，Fe膜的厚度大约为10-30纳米、V膜的厚度大约为1-5纳米、C膜的厚度大约为3-18纳米。形成催化剂层的方法有：热蒸发沉积法、电子束加热蒸发法等方法，本实施例的催化剂是采用真空溅镀方法制成。

步骤3是通入碳源气体生长碳纳米管。利用热CVD法在基底上生长碳纳米管，在一定温度下Fe、V、C膜互融而产生C的过饱和溶液，当冷却至室温时过饱和C析出在Fe₃C、VC的周围，碳源气体热分解所产生的C以过饱和C为基础生长为碳纳米管。

下面结合具体实施例说明本发明方法的实现过程。

请参阅图2及图3，本发明选用Si作为基底10，该基底10的大小可视具体要求而定，在该基底10上沉积n层纳米级厚度的催化剂14，其中，n可为10-30，催化剂14是采用溅镀工艺而成，每一层催化剂14包括Fe膜142、C膜146及位于二者之间的V膜144。

催化剂14的形成过程如下：先在基底10上溅镀沉积Fe膜142，在Fe膜142上溅镀沉积V膜144，溅镀C膜o146于V膜144上，然后在C膜146上沉积Fe膜142、在Fe膜142上沉积V膜144、在V膜144上溅镀沉积C膜，……，如此反复溅镀沉积多层Fe膜142、V膜144及C膜146。

其中，Fe膜142的厚度为10-30纳米、V膜144的厚度为1-5纳米、C膜146的厚度为3-18纳米，本实施例优选Fe膜142的厚度为6纳米、V膜144的厚度为2纳米、C膜146的厚度为5纳米。

将带有催化剂14的基底10置于反应炉(图未示)中，通入保护气体或者在真空状态中，将反应炉的温度升高至500℃-1000℃，当反应炉的温度达到预定温度(碳源气体分解温度，依碳源气体不同而不同)时，向反应炉中供应碳源气体反应10-30分钟即可生长出碳纳米管。

其中，该保护气体可为氩气、氮气、氢气或其混合气体，本实施例选用氩气，该碳源气体为碳氢化合物，可为甲烷、乙炔、乙烯、丙烯、丙烷或其混合物，本实施例选用乙炔气体作为碳源气体。

在高温状态下，催化剂14中的Fe、V及C均匀互融，并发生下列反应生成Fe₃C以及VC：

催化剂14中未完全反应的碳将产生碳的过饱和溶液，然后将反应炉快速退火至室温(一般系25℃)，此时，过饱和的碳将析出在Fe₃C以及VC的周围。以过饱和析出的碳为基础，乙炔热分解产生的碳将在因过饱和而析出的碳上生长为碳纳米管。

因，基底10上的Fe、V、C在高温下均匀互融，并发生相应化学反应生成Fe₃C以及VC，当降至室温时过饱和的碳析出均匀分布在Fe₃C以及VC的周围，碳源气体乙炔热分解产生的碳以过饱和的碳为基础生长为碳纳米管，因此，碳纳米管均匀分布。

Claims (12)

1.一种碳纳米管的制备方法，其包括以下步骤：

(1)提供一基底；

(2)沉积多层催化剂层于基底；

(3)通入碳源气体生长碳纳米管。

2.如权利要求1所述的碳纳米管的制备方法，其特征在于：步骤(1)中的基底为Si(硅)、Ta(钽)、Ni(镍)、Ag(银)或不锈钢。

3.如权利要求1所述的碳纳米管的制备方法，其特征在于：所述每一催化剂层包括铁膜、碳膜及位于二者之间的钒膜。

4.如权利要求3所述的碳纳米管的制备方法，其特征在于：所述催化剂层大约为10至30层。

5.如权利要求3所述的碳纳米管的制备方法，其特征在于：所述铁膜的厚度大约为3-30纳米。

6.如权利要求3所述的碳纳米管的制备方法，其特征在于：所述钒膜的厚度大约为1-5纳米。

7.如权利要求3所述的碳纳米管的制备方法，其特征在于：所述碳膜的厚度大约为3-18纳米。

8.如权利要求1至7任一所述的碳纳米管的制备方法，其特征在于：所述催化剂可采用热蒸发法、电子束加热蒸发法或溅镀而成。

9.如权利要求8所述的碳纳米管的制备方法，其特征在于：步骤(3)进一步包括将基底送入反应炉后，在保护气体下加热至500℃-1000℃。

10.如权利要求9所述的碳纳米管的制备方法，其特征在于：所述保护气体为氩气(Ar)、氮气(N₂)、氢气(H₂)或其混合气体。

11.如权利要求1所述的碳纳米管的制备方法，其特征在于：所述碳源气体为甲烷、乙炔、乙烯、丙烯、丙烷或其混合物。

12.如权利要求1所述的碳纳米管的制备方法，其特征在于：通入碳源气体10-30分钟。

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