TWI411573B - 奈米碳管薄片的製備方法 - Google Patents

Description

奈米碳管薄片的製備方法

本發明涉及一種奈米碳管薄片的製備方法，尤其涉及一種複合金屬的奈米碳管薄片的製備方法。

從1991年日本科學家Iijima首次發現奈米碳管(Carbon Nanotube,CNT)以來，以奈米碳管為代表的奈米材料以其獨特的結構和性質引起了人們極大的關注。近幾年來，隨著奈米碳管及奈米材料研究的不斷深入，其廣闊應用前景不斷顯現出來。例如，由於奈米碳管所具有的獨特的電磁學、光學、力學、化學性能等，大量有關其在場發射電子源、感測器、新型光學材料、軟鐵磁材料等領域的應用研究不斷被報導。

奈米碳管薄膜係奈米碳管實際應用的一種重要形式。具體地，奈米碳管薄膜已被研究用作場發射源、光電和生物感測器、透明導電體、電池電極、吸波材料、水淨化材料、發光材料等。隨著奈米碳管的製備技術的發展，將金屬複合在奈米碳管中形成薄片有利於進一步利用奈米碳管的導電、導熱性。

先前技術中，複合金屬的奈米碳管薄片的製備方法一般先製備得到奈米碳管薄膜，然後通過濺射填充或蒸發填充的方式將金屬複合在奈米碳管薄膜中形成薄片。然而，上述複合金屬的奈米碳管 薄片的製備方法一般工序較為複雜、製備效率較低；同時，所製備的奈米碳管薄片中金屬複合的比例小、不易控制，且複合不均勻。

有鑒於此，提供一種簡單、效率較高且製備的奈米碳管薄片中金屬複合的比例可以控制的奈米碳管薄片的製備方法實為必要。

一種奈米碳管薄片的製備方法，包括：提供一奈米碳管陣列，使奈米碳管陣列脫離基底，獲得一奈米碳管原料；將奈米碳管原料加入到含有金屬離子的溶液中並進行絮化處理獲得奈米碳管絮狀結構，所述奈米碳管絮狀結構中的奈米碳管相互纏繞，形成網路狀結構；添加還原劑於溶液中；以及將上述奈米碳管絮狀結構從溶液中分離，並對該奈米碳管絮狀結構定型處理以獲得奈米碳管薄片。

所述的絮化處理的方法包括超聲波分散處理或高強度攪拌。

所述的金屬包括金、銀、銅、鋁或銦。

所述的含有金屬離子的溶液為銀氨溶液。

所述的還原劑包括乙醛、葡萄糖或甲醛。

所述的分離奈米碳管絮狀結構的方法具體包括以下步驟：將上述含有奈米碳管絮狀結構的溶液倒入放有濾紙的漏斗中；並通過抽氣裝置從漏斗嘴抽氣從而獲得分離的奈米碳管絮狀結構。

所述的定型處理具體包括以下步驟：將上述奈米碳管絮狀結構置 於一容器中；將奈米碳管絮狀結構按照預定形狀攤開；施加一定壓力於攤開的奈米碳管絮狀結構；以及，將溶劑烘乾或等溶劑自然揮發後獲得奈米碳管薄片。

所述的奈米碳管薄片為1微米至2毫米。

相較於先前技術，所述的奈米碳管薄片的製備方法具有以下優點：其一，採用原位還原的方法使得金屬能夠均勻且緊密的複合在奈米碳管表面，且製備的奈米碳管薄片中金屬複合的比例可以控制，工序簡單，易於實際應用；其二，通過將奈米碳管原料進行絮化處理後使奈米碳管相互纏繞，形成的奈米碳管薄片具有很好的韌性。

圖1係本發明實施例奈米碳管薄片的製備方法的流程示意圖。

圖2係本發明實施例獲得的複合金屬的奈米碳管絮狀結構的照片。

圖3係本發明實施例獲得的奈米碳管薄片的照片。

以下將結合附圖對本發明作進一步之詳細說明。

請參閱圖1，本實施例奈米碳管薄片的製備方法主要包括以下步驟：步驟一：提供一奈米碳管陣列，優選地，該陣列為超順排奈米碳管陣列。

本實施例中，奈米碳管陣列的製備方法採用化學氣相沉積法，其具體步驟包括：(a)提供一平整基底，該基底可選用P型或N型矽基底，或選用形成有氧化層的矽基底，本實施例優選為採用4英寸的矽基底；(b)在基底表面均勻形成一催化劑層，該催化劑層材料可選用鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其任意組合的合金之一；(c)將上述形成有催化劑層的基底在700~900℃的空氣中退火約30分鐘~90分鐘；(d)將處理過的基底置於反應爐中，在保護氣體環境下加熱到500~740℃，然後通入碳源氣體反應約5~30分鐘，生長得到奈米碳管陣列，其高度大於100微米。該奈米碳管陣列為多個彼此平行且垂直於基底生長的奈米碳管形成的純奈米碳管陣列，由於生成的奈米碳管長度較長，部分奈米碳管會相互纏繞。通過上述控制生長條件，該超順排奈米碳管陣列中基本不含有雜質，如無定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等。本實施例中碳源氣可選用乙炔等化學性質較活潑的碳氫化合物，保護氣體可選用氮氣、氨氣或惰性氣體。可以理解的係，本實施例提供的奈米碳管陣列不限於上述製備方法。

步驟二：使奈米碳管陣列脫離基底，獲得奈米碳管原料。

本實施例優選採用刀片或其他工具將奈米碳管從基底刮落，獲得奈米碳管原料，其中奈米碳管一定程度上保持相互纏繞的狀態。

步驟三：將上述奈米碳管原料添加到含有金屬離子的溶劑中並進行絮化處理獲得含有奈米碳管絮狀結構的溶液，金屬離子分散在奈米碳管絮狀結構中。

溶劑可選用任何含有金屬離子、奈米金屬顆粒或金屬絡離子的溶液，如金、銀、銅、鋁或銦等。本實施例優選採用含有銀離子的銀氨溶液。該銀氨溶液的製備可通過在硝酸銀溶液中逐滴加入氨水，邊滴邊振盪，至最初產生的沉澱溶解為止得到溶液。該銀氨溶液中含有弱氧化性的銀氨絡離子(Ag(NH₃)₂ ⁺)。

絮化處理可通過採用超聲波分散處理或高強度攪拌等方法。優選地，本實施例採用超聲波分散10~30分鐘。由於奈米碳管具有極大的比表面積，奈米碳管之間具有較大的凡德瓦爾力。上述絮化處理並不會將奈米碳管原料中的奈米碳管完全分散在溶劑中，溶劑中的奈米碳管之間通過凡德瓦爾力相互吸引、纏繞，形成網路狀結構，進而形成奈米碳管絮狀結構。銀氨溶液中的銀氨絡離子在絮化處理後均勻分散在奈米碳管絮狀結構中。

步驟四：往上述溶液中添加還原劑，反應過程中不停攪拌，使金屬離子還原成金屬附著在奈米碳管上獲得複合有金屬的奈米碳管絮狀結構。

還原劑的選擇與上述金屬離子溶液相對應，本實施例中，還原劑包括乙醛、葡萄糖或甲醛等。利用還原劑的還原作用使銀氨絡離子中的銀離子被還原成金屬附著在奈米碳管上。優選地，本實施例採用將乙醛溶液逐滴加入還原銀氨絡離子。可以理解，加入還原劑的量與溶液中金屬離子的濃度有關。如果金屬離子的濃度越高，則加入還原劑的量越多。

請參閱圖2，為本實施例中附著有金屬的奈米碳管絮狀結構示意 圖。由於本實施例採用原位還原反應的方法，金屬不係直接通過機械攪拌的方法加入，而係通過金屬離子還原成金屬的方式可使金屬與奈米碳管的結合非常緊密，且分散均勻，金屬包覆在奈米碳管表面或填充在奈米碳管之間的空隙中。可以理解，本實施例中可通過控制溶液中金屬離子的濃度來控制奈米碳管絮狀結構中複合金屬的比例。當金屬離子的濃度越高，則奈米碳管絮狀結構中複合金屬的比例越大。

步驟五：將上述複合有金屬的奈米碳管絮狀結構從溶劑中分離，並對該奈米碳管絮狀結構定型處理以獲得奈米碳管薄片。

本實施例中，分離奈米碳管絮狀結構的方法具體包括以下步驟：將上述含有奈米碳管絮狀結構的溶劑倒入放有濾紙的漏斗中；靜置乾燥一段時間從而獲得分離的奈米碳管絮狀結構。

定型處理具體包括以下步驟：將上述奈米碳管絮狀結構置於一容器中；將奈米碳管絮狀結構按照預定形狀攤開；施加一定壓力於攤開的奈米碳管絮狀結構；以及，將奈米碳管絮狀結構中殘留的溶劑烘乾或等溶劑自然揮發後獲得奈米碳管薄片。可以理解，本實施例可通過控制奈米碳管絮狀結構攤片的面積來控制奈米碳管薄片的厚度和面密度。攤片的面積越大，則奈米碳管薄片的厚度和面密度就越小。本實施例中獲得的奈米碳管薄片的厚度為1微米至2毫米。

另外，上述分離與定型處理步驟也可直接通過抽濾的方式獲得奈米碳管薄片，具體包括以下步驟：提供一微孔濾膜及一抽氣漏斗 ；將上述含有奈米碳管絮狀結構的溶劑經過微孔濾膜倒入抽氣漏斗中；抽濾並乾燥後獲得奈米碳管薄片。該微孔濾膜為一表面光滑、孔徑為0.22微米的濾膜。由於抽濾方式本身將提供一較大的氣壓作用於奈米碳管絮狀結構，該奈米碳管絮狀結構經過抽濾會直接形成一均勻的奈米碳管薄片。且，由於微孔濾膜表面光滑，該奈米碳管薄片容易剝離。

請參閱圖3，為本實施例製備的複合金屬的奈米碳管薄片。可以理解，本實施例可通過控制複合金屬的奈米碳管絮狀結構攤片的面積來控制奈米碳管薄片的厚度和面密度。攤片的面積越大，則奈米碳管薄片的厚度和面密度就越小。本實施例中獲得的奈米碳管薄片的厚度為1微米至2毫米。

本實施例中奈米碳管薄片的製備方法具有以下優點：其一，採用原位還原的方法使得金屬能夠均勻且緊密的複合在奈米碳管表面，且製備的奈米碳管薄片中金屬複合的比例可以控制，工序簡單，易於實際應用；其二，通過將奈米碳管原料進行絮化處理後使奈米碳管相互纏繞，形成的奈米碳管薄片具有很好的韌性。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

Claims (8)

1. 一種奈米碳管薄片的製備方法，包括：提供一生長於一基底表面的奈米碳管陣列，使奈米碳管陣列脫離基底，獲得一奈米碳管原料；將奈米碳管原料加入到含有金屬離子的溶液中並進行絮化處理獲得奈米碳管絮狀結構，所述奈米碳管絮狀結構中的奈米碳管相互纏繞，形成網路狀結構；添加還原劑於溶液中；以及將上述奈米碳管絮狀結構從溶液中分離，並對該奈米碳管絮狀結構定型處理以獲得奈米碳管薄片；其中，所述的定型處理奈米碳管絮狀結構的方法具體包括以下步驟：將上述奈米碳管絮狀結構置於一容器中；將奈米碳管絮狀結構按照預定形狀攤開；施加一定壓力於攤開的奈米碳管絮狀結構；以及，將奈米碳管絮狀結構中殘留的溶劑烘乾或等溶劑自然揮發後獲得奈米碳管薄片。
2. 如請求項1所述的奈米碳管薄片的製備方法，其中，所述的絮化處理的方法包括超聲波分散處理或高強度攪拌。
3. 如請求項1所述的奈米碳管薄片的製備方法，其中，所述的含有金屬離子的溶液為含有金、銀、銅、鋁或銦的金屬離子、奈米金屬顆粒或金屬絡離子的溶液。
4. 如請求項3所述的奈米碳管薄片的製備方法，其中，所述的含有金屬離子的溶液為銀氨溶液。
5. 如請求項4所述的奈米碳管薄片的製備方法，其中，所述的還原劑包括乙醛、葡萄糖或甲醛。
6. 如請求項1所述的奈米碳管薄片的製備方法，其中，所述的分離 奈米碳管絮狀結構的方法具體包括以下步驟：將上述含有奈米碳管絮狀結構的溶液倒入放有濾紙的漏斗中；靜置乾燥一段時間從而獲得分離的奈米碳管絮狀結構。
7. 如請求項1所述的奈米碳管薄片的製備方法，其中，所述的分離和定型處理奈米碳管絮狀結構的方法具體包括以下步驟：提供一微孔濾膜及一抽氣漏斗；將上述含有奈米碳管絮狀結構的溶劑經過微孔濾膜倒入抽氣漏斗中；抽濾並乾燥後獲得奈米碳管薄片。
8. 如請求項1所述的奈米碳管薄片的製備方法，其中，所述的奈米碳管薄片的厚度為1微米至2毫米。