[发明专利]碳纳米管/碳纳米纤维植入金属电极表层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及的一种纳米材料技术领域的方法，具体的是一种碳纳米管/碳纳米纤维植入金属电极表层的方法。

背景技术

碳纳米管(CNT)是1991年发现的新型碳材料，具有由石墨片层同轴卷曲形成的准一维纳米结构，按照层数的不同可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。碳纳米纤维(CNF)也是一种准一维的新型纳米碳材料，其直径在几十～几百纳米，微观结构与碳纳米管有所不同。CNT/CNF具有极高的长径比和非常小的端部曲率半径，兼有非常优异的力学特性、导电性、导热性和化学稳定性。得益于这些独特的性能，将其用于金属电极表面修饰，可制备性能优异的场发射器件、气体离化传感器和电化学传感器等多种器件。

经过对现有技术的文献检索发现，J.Justin Gooding，Electrochimica Acta(电化学学报)50期，2005年3049-3060页，“Nanostructuring electrodes withcarbon nanotubes：A review on electrochemistry and applications for sensing，”(碳纳米管修饰纳米结构电极：电化学机制及其在传感领域的应用)，金属电极表面的CNT/CNF修饰主要通过以下技术途径实现：

·将CNF/CNF分散在浆料中，再用丝网印刷的方法将其印制在金属电极上，然后除去溶剂，将粘合物材料烧结、硬化；

·在电极表面用光刻技术做出一层特定分布的催化剂薄膜，再用化学气相沉积(CVD)或其它方法在催化剂图形表面生长碳纳米管薄膜；

·使用Nafion等粘结剂将CNT/CNF粘合在电极表面或无粘结剂的条件下，将碳纳米管分散液直接滴在金属电极表面；

·制备聚合物基碳纳米管复合材料或纯碳纳米管薄膜直接用作电极；

·对碳纳米管进行表面改性后，自组装至电极表面。

分析上述对比文献技术可以发现，在CNT/CNF与金属电极的电连接、机械结合以及与此相关的器件寿命等方面存在比较明显的不足。其中，丝网印刷法工艺成本低，适合于大面积制备，但是有机残留物难以彻底清除，高温烧结处理的工艺兼容性差，电极表面平整性差，加工精度低；直接生长法制备的碳管形态良好、分布可控，但是工艺成本高，工艺兼容性差，容易对在先形成的部件造成损伤；使用粘结剂时，粘结剂容易包覆在CNT/CNF表面，影响了器件的灵敏度和精度，而不采用粘结剂时，CNT/CNF在金属电极表面的含量有限，结合不牢固，会对器件寿命产生不利影响；采用聚合物基复合材料作为电极同样会由于基体导电性差而造成器件性能的下降；纯碳管薄膜造价高，单根碳管与电极表面的结合强度低；自组装法虽然可以实现碳纳米管在电极表面的垂直组装，但是同样难以确保碳管与电极之间的牢固结合，因而影响器件寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种碳纳米管/碳纳米纤维植入金属电极表层的方法。运用该方法能够使CNT/CNF一部分根植在金属基体中，其余部分暴露在外，形成植入并均匀分布在电极表层“植布”效果。本发明可以用于制备高性能场发射器件、气体离化传感器和电化学传感器等多种器件的CNT/CNF修饰电极。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括步骤如下：

(1)首先对CNT/CNF进行预处理，将其切短、纯化，并根据目标器件使用要求进行表面改性处理。

此步骤相关说明：由于多壁碳纳米管和单壁碳纳米管的长径比很高，极易形成相互缠绕的团聚体，不利于制备均匀的复合薄膜，所以需要将其适当的进行打断，减轻团聚程度。同时，通过现有各种方法制备的CNT/CNF，特别是碳纳米管中一般都残留有催化剂、碳纳米粒子、无定型碳等杂质，它们会导致复合镀层性能的恶化，需要通过纯化处理除去。在化学纯化处理过程中，还可以在CNT/CNF侧壁的缺陷处嫁接羟基、羧基等功能基团，用作后续改性处理。

(2)然后通过超声分散，添加分散剂和/或高速匀浆处理，将预处理后的CNT/CNF分散在电镀基础镀液中。

此步骤相关说明：由于相互之间的范得华力和缠绕作用，CNT/CNF极易团聚，仅通过预处理的打断工艺，难以使CNT/CNF均匀分散在镀液中，所以使用中需要采取进一步的技术措施以改善它们在镀液中的分散特性。通过超声分散的超声空化作用，添加分散剂增大CNT/CNF之间的斥力，以及强烈的机械搅拌使CNT/CNF团聚体打开、破碎。