[发明专利]单壁碳管的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种催化纳米碳管生长的触媒，且特别涉及一种催化单壁碳管生长的触媒。

背景技术

自从1991年发现碳管(carbon nanotube；CNT)以来，已经吸引众多研究者的注意。这是因其优异的机械性质与可调变的导电性质所致，而且又具备很大的比表面积，使其可应用在氢气储存、触媒支撑物、电化学超级电容器(electrochemical supercapacitor)、锂电池的阳极以及电子场发射器的阴极发射源。

其中单壁碳管(single wall carbon nanotubes；SWNT)由于拥有独特的物理性质，例如优异的热传性质，可调变的导电性，极大的深宽比与比表面积等，使其成为工业界竞逐的焦点，也因此单壁碳管的合成技术一直是近几年产学研究的重点。传统制造单壁纳米碳管的方式为电弧放电法(arc discharging)与激光剥蚀法(laser ablation)，这两种方法虽然产物的纯度较高，但都属于高温制程(超过1200℃)，且产率不高。因此除了生产成本过高外，在应用上的实用性也不高，特别是跟IC制程整合的应用上。

最近几年，使用化学气相沉积法(chemical vapor deposition；CVD)来制造单壁碳管的方法被广泛地研究，因为其具有较低温生长且产率较高的优点。从近几年的研究成果来看，CVD方法在多壁碳管的合成确实已经得到很好的结果，然而在单壁碳管的合成上，在产率、纯度及温度上皆尚未得到良好的控制，也因此造成了单壁碳管的成本一直居高不下，无法广泛的应用于工业上。

从目前已揭露的CVD合成单壁碳管的研究结果来看，其单壁碳管产率相当低，且会夹杂着多壁碳管。此外，由于碳管的合成温度(约在900～1000℃)比电弧法要低上许多，因此也导致了石墨化的程度较低，使得合成的碳管品质大幅降低。况且即便是900℃的合成温度，也无法与现行的IC制程兼容。虽然有研究机构提出利用缓冲层(buffer layer)来有效的降低制程温度到600～700℃，但其单壁碳管产物的纯度及产量却是更低。

推究CVD制程方法合成单壁碳管的困难点在于两个因素：(1)触媒的活性，(2)触媒粒子的细化与分散。现行的触媒材料皆以过渡金属为主，包含了Fe，Co，Ni等元素，这些元素在块材的状态下溶碳温度都颇高(超过700℃)，这可以通过合金的调配与触媒薄膜化的处理来克服。但更困难的是，如何细化及分散触媒。对于单壁碳管而言，管径大小(其直径约在1-3nm间)是由触媒的颗粒大小来决定，过大的触媒颗粒便无法催化生产单壁碳管。因此，如何让触媒形成非常微细的粒子且不会再聚集在一起，乃是最重要的课题。

发明内容

因此，本发明的目的之一是提供一种以化学气相沉积法合成单壁碳管的触媒，以生产高纯度的单壁碳管。

本发明的另一目的是提供一种触媒的制造方法，以制造合成单壁碳管所需的触媒。

本发明的又一目的是提供一种单壁碳管的制造方法，它是使用纳米化的触媒来催化单壁碳管的合成反应。

根据本发明的上述目的，提出一种催化单壁碳管生成反应的触媒，其基本上由催化碳管生长的过渡金属、防止触媒颗粒聚集的前驱金属的金属氧化物以及贵重金属所组成。贵重金属的金属氧化物在还原时，会产生类似爆炸的效应来分散触媒颗粒。

依照本发明一较佳实施例，上述过渡金属的含量约为20-90重量百分比，前驱金属的金属氧化物的含量约为5-30重量百分比，且贵重金属的含量约为5-60重量百分比。

依照本发明又一较佳实施例，上述过渡金属例如可为铁、钴或镍。

依照本发明另一较佳实施例，上述前驱金属的金属氧化物例如可为氧化铬、氧化钽、氧化钒或氧化钛。

依照本发明又一较佳实施例，上述贵重金属例如可为铂、银、金或钯。

根据本发明的目的，提出一种用来催化单壁碳管生成反应的触媒的制造方法。先在基材上沉积金属氧化薄膜。金属氧化薄膜的金属成分含有一过渡金属、一前驱金属以及一贵重金属。然后，再通入还原气体，还原上述三种金属的金属氧化物，以形成上述的触媒。上述过渡金属与贵重金属的金属氧化物会被完全还原至金属元素态，而前驱金属的金属氧化物仅会被部分还原。

依照本发明一较佳实施例，上述金属氧化薄膜的氧含量约为20-70摩尔百分比。

依照本发明一较佳实施例，上述过渡金属例如可为铁、钴或镍，其为催化碳管生长的触媒。

依照本发明另一较佳实施例，上述前驱金属例如可为铬、钽、钒或钛。前驱金属的金属氧化物可防止触媒颗粒聚集在一起。