CN1903710A - 用电弧放电处理碳纳米管的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用电弧放电处理碳纳米管的方法，属于碳纳米管纯化和定向排列技术。该方法包括以下具体步骤：对碳纳米管直接施加电压和电流，进行电火花处理，去除碳纳米管表面的附着金属或氧化物催化剂和剥离沉积的非晶碳层，与此同时，切割、定向排列碳纳米管。本技术所采用的电火花处理可在空气中进行，也可在惰性气氛中进行。施加电压可为直流也可为交流，电压10～100伏，电流0～10安培。本发明的优点在于能完全去除碳管表面用其它方法难以去除的非晶碳和金属杂质，达到纯化碳纳米管的目的；另外，此方法还可切割碳纳米管，获得定向排列的碳纳米管。
Description
技术领域
本发明涉及一种用电弧放电处理碳纳米管的方法，属于碳纳米管纯化和有序排列的技术。
背景技术
由于碳纳米管具有潜在的超高强度，高韧性，高导电，高导热，半导体，气敏，热敏，电机械反应等众多优良奇异的结构和物理化学特性，及广泛的应用前景，使得碳纳米管的制备与纯化显得非常重要。碳纳米管的合成主要三种方法：电弧放电法、激光蒸发法和催化裂解法，不同方法制备的碳纳米管均会含有非晶碳等相同的杂质，目前主要采用的是催化裂解法制备碳纳米管。催化裂解法制备的碳纳米管中所含杂质主要为金属和无定形碳及石墨状碎片。碳纳米管的广泛应用前景需要高纯的碳纳米管，特别是高纯单壁的碳纳米管，但至今为止尚缺乏一种理想的纯化技术。目前一般通过酸氧化法，将含杂质的碳纳米管浸入强酸溶液中溶掉金属杂质，通过过滤、清洗、离心、干燥等过程分离产物以达到纯化碳纳米管的目的。然而，通过酸洗氧化途径会导致碳纳米管结构的破坏，这是因为非晶碳和碳纳米管的热和氧化结构稳定性相近，通过氧化非晶碳的同时，很难控制碳纳米管不被氧化或结构破坏。另外，对宏观碳纳米管纤维进行处理使其定向排列，切割等也是实现其众多应用所需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用电弧放电处理碳纳米管的方法，该方法可有效的去除碳纳米管的非晶颗粒，并使其定向排列，其过程简单。
为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案加以实现的：对碳纳米管纤维束，用电弧放电处理该碳纳米管的方法。其特征在于包括以下具体步骤：
在空气中或是在惰性气氛保护下对碳纳米管束的两端直接施加10～100伏的直流或交流电压，使之在瞬间产生电火花，去除碳纳米管表面的附着金属或氧化物催化剂和剥离沉积的非晶碳层，并实现碳纳米管的定向排列和其两端的切割。
目前用各种方法制备的碳纳米管，都含有微小的催化剂颗粒和非晶碳沉积于碳管壁上，催化剂颗粒都是纳米级尺寸并以范得华力紧密结合在碳管壁上，而沉积的无定形碳则是以化学键覆盖在碳管表面。用一般的方法很难完全去除。在碳纳米管上施加一瞬时电压，可以产生两种纯化机制：一是能使碳管产生局部高电流和高热量，纳米尺寸的颗粒产生迁移并聚集成较大的微观颗粒，从而有益于将其去除；二是由于覆盖在表面的非晶碳具有比碳纳米管更高的电阻，以及它们不同的热膨胀系数，表面非晶碳层产生大量的热从而与碳纳米管剥离开来。如果在空气中处理，非晶碳将会从碳纳米管表面剥离。从而能很好的对碳纳米管进行纯化。
当在碳纳米管束的两端施加一高的瞬间电压，使其放电，局域产生大量的热将触点燃烧，从而实现对碳纳米管纤维束两端的切割。
给碳纳米管施加一瞬间电压，产生两种排列机制：一是使碳纳米管产生瞬时电流，从而产生磁效应，给碳纳米管一个重排的过程，使其定向排列；二是由于碳纳米管之间以环状为接触点，该接触点处于高电阻状态，在电压作用下产生高热量而将其缠绕聚集催化剂点剥离掉，从而也能使碳纳米管排列整齐。
本发明的优点在于：能完全去除碳纳米管表面以物理吸附或是以化学键结合沉积于表面层的非晶碳和金属杂质，从而达到纯化碳纳米管的目的；并能切割碳纳米管的两端，定向排列整齐。本发明也可适用于其他方法制得的碳纳米管进行纯化和定向排列及切割。
附图说明
附图1：以金属铁为催化剂气相合成的未经处理的碳纳米管纤维束SEM照片。
附图2：图1的碳纳米管束经过电火花放电处理的SEM照片。
附图3：以金属铁为催化剂气相合成的未经处理的碳纳米管纤维束的自然端部SEM照片。
附图4：图3的碳纳米管经放电处理切割的纤维端部SEM照片。
附图5：以金属铁为催化剂气相合成的处理前碳纳米管TEM照片。该图中呈现的淡色表明在碳纳米管表面沉积着非晶碳层。
附图6：图5经电火花处理碳纳米管的TEM照片。
附图7：以金属铁为催化剂气相合成的经电火花处理的碳纳米管纤维束的形貌照片。
具体实施方式
实施例一：将采用金属铁催化剂气相合成的碳纳米纤维束样品(长10毫米，粗500微米)置入三口玻璃烧杯内，将直流电源的负极通过玻璃烧杯的侧口进入到玻璃烧杯内与碳纳米管纤维束的一断接触，口部胶塞密封，电源正极通过另一入口进入到烧杯内，口部胶塞密封，通过顶部口对烧杯抽空至10-3Torr，然后充入一个大气压的高纯氩气，密闭上部进气口。将电源电压调至24伏，在烧杯外部将正极电极与烧杯内的纤维的另一端短暂接触，时间0.1毫秒，在烧杯外面可见到接触点处有电火花放出。将放电处理的样品通过扫描电镜和透射电镜观察，可见到纤维束内碳管上的非晶碳和铁催化剂杂质被清除，形成几十纳米的颗粒，纤维束内的碳管被纯化，碳管间的排列取相变规整。如图2所示。
实施例二：将采用激光蒸发合成的单壁碳纳米管纤维束，粗1毫米，长2厘米一端连在直流电源的负极，将电压调24伏特，将另一电极快速点触纤维束的另一端，离开，在触点处可观察到有电火花放出。整个过程在空气中进行。对放电处理的碳纳米管纤维取样，放到透射电镜铜网上观察，可见纤维点火花放电的端部被切割。如图4所示。
实施例三：将采用电弧放电合成的非晶碳纳米管絮状物，体积5mm×5mm×5mm，的一端连在直流电源的一极，将电压调24伏特，将另一电极快速点触非晶碳纳米管絮状物的另一侧，在触点处可观察到有电火花放出。整个过程在空气中进行。对放电处理的碳纳米管絮状物取样，放到扫描电镜和透射电镜铜网上观察，可见原来非晶碳纳米管表面的非晶层被剥离，形成表面清洁的单壁碳纳米管束。原来的非晶层被转变成直径为20nm的粒子。如图6所示。
实施例四：将采用金属铁催化剂气相合成的碳纳米管纤维束，粗1毫米，长2厘米一端连在直流电源的负极，采用交流电源，电压调至50伏特，将另一极快速点触纤维束的另一端，离开，在触点处可观察到有电火花放出。整个过程在空气中进行。对放电处理的碳纳米管纤维取样，放到透射电镜铜网上观察，发现纤维内碳管排列取向变整齐，碳管表面非晶碳得以去除。
Claims (1)
1.一种用电弧放电处理碳纳米管的方法，该方法针对碳纳米管纤维束，其特征在于包括以下具体步骤：在空气中或是在惰性气氛保护下对碳纳米管束的两端直接施加10～100伏的直流或交流电压，使之在瞬间产生电火花，去除碳纳米管表面的附着金属或氧化物催化剂和剥离沉积的非晶碳层，并实现碳纳米管的定向排列和其两端的切割。
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