[发明专利]单壁碳纳米管的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种单壁碳纳米管的制备方法，尤其涉及一种可在制备过程中调节单壁碳纳米管直径的制备方法。

背景技术

碳纳米管根据形成管壁的碳原子的层数可以分为单壁碳纳米管（SWNT）、双壁碳纳米管（DWNT）和多壁碳纳米管(MWNT)。其中，单壁碳纳米管可看作是由单层石墨层绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝空心管。由于其独特的结构以及优良性能，在复合材料、新能源电池电极材料、光电子器件、传热元件以及生物、化学传感器等不同领域具有潜在而广泛的应用价值。

目前SWCNT较为成熟的制备方法主要包括：激光蒸发法，电弧催化法和化学气相沉积法(CVD)。虽然，前两种方法已经能够制备出高质量SWCNT，但是这两种方法并不适宜于放大批量化，因此具有难以生产大量单壁碳纳米管的缺点，严重限制了它们的产业化推广及发展。而对于CVD法来说，由于其工艺相对简单，成本低，易于放大规模化生产，因此在单壁碳纳米管产业化生产过程中越来越受到重视和推广。采用CVD方法合成单壁碳纳米管时，常用的催化剂有：铁、钴、镍、钇等，常用的催化剂载体有SiO₂、Al₂O₃、MgO等。其中，作为催化剂载体的MgO由于成本低，并在后处理纯化过程中容易去除，成为合成SWCNT时有效的催化剂载体。

众所周知，SWCNT的光学、电学性质取决于它们的直径和手性分布。根据直径和手性分布的不同，SWCNT表现为金属性和半导体性。因此，在SWCNT的制备过程中可以通过调节SWCNT的直径分布来实现对SWCNT性能的调控。

近几年来，许多研究者致力于单壁碳纳米管的直径可控生长。张亚非等在中国专利201010234322.4 “直径可控单壁碳纳米管的制备方法”中提到了一种单壁碳纳米管的直径可控的生长方法，但主要是针对电弧催化法，此种方法成本高，不易于规模化生产。Li Nan等人在文献“Diameter Tuning of Single-Walled Carbon Nanotubes with Reaction Temperature Using a Co Monometallic Catalyst” (J.Phys.

Chem.C 2009 113: 10070-10078)中通过调节反应温度来控制气相沉积方法得到的单壁碳纳米管的直径，但此方法采用的是比较特殊的催化剂载体—有序介孔材料MCM-41，其原材料成本较贵，且在后处理纯化过程中难以去除。

有鉴于此，有必要对现有技术中制备单壁碳纳米管时调节其直径所存在的缺陷予以改进，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单壁碳纳米管的制备方法，该方法可有效地调节制备的单壁碳纳米管的直径，实现了单壁碳纳米管直径的可控性，以满足不同领域的需要。

为实现上述发明目的，本发明的一种单壁碳纳米管的制备方法，该方法包括如下步骤：获取钴-铜二元催化体系，将钴-铜二元催化体系置于真空管式炉中，通入碳源气体，在一定反应温度和反应时间条件下生长出单壁碳纳米管。

作为本发明的进一步改进，所述钴-铜二元催化体系的获取包括如下步骤：

a.提供以任意比例混合的含钴金属元素的盐类化合物与含铜金属元素的盐类化合物组成的混合物溶液；

b.向所述混合物溶液中加入催化剂载体含镁化合物和特定的溶剂，充分搅拌；

c.将步骤b获得的溶液烘干，研磨成粉末，以获得钴-铜二元催化体系。

作为本发明的进一步改进，所述含镁化合物选自氧化镁、或者氢氧化镁、或者碳酸镁、或者碱式碳酸镁、或者它们的组合；所述溶剂选自水或者乙醇。

作为本发明的进一步改进，该方法还包括：制备出单壁碳纳米管粉末之后，对其进行酸洗的纯化处理。

作为本发明的进一步改进，所述碳源气体为甲烷。

作为本发明的进一步改进，所述碳源气体的载气为氩气。

作为本发明的进一步改进，所述氩气的气体流量范围为：0~3000ml/h。

作为本发明的进一步改进，所述碳源气体的气体流量范围为：0~1000ml/h。

作为本发明的进一步改进，所述反应温度范围为600℃~1000℃。

作为本发明的进一步改进，所述反应时间范围为10min~120min。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.采用钴、铜二元催化体系，通过改变体系中钴、铜的原子质量比，可以合成出不同直径分布的单壁碳纳米管，从而实现单壁碳纳米管的直径可控调节；