[发明专利]一种采用低压反应性气体可控性制备单壁碳纳米管的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米材料技术领域的制备方法，尤其是涉及一种采用低压反应性气体可控性制备单壁碳纳米管的方法。

背景技术

自1991年以来，碳纳米管(Carbon nanotubes；CNTs)因具有卓越的机械、热学、电学性能而引起了包括物理、化学和材料科学等诸多领域的广泛关注，目前将碳纳米管已经被应用于纳电子器件、场发射技术、生物载药、储氢技术等诸多领域。CNTs是由二维石墨烯片弯曲形成的一种新型中空管状纳米结构，按管壁层数可将碳纳米管可分为单璧碳纳米管(Single-walled carbon nanotubes，SWNTs)和多壁碳纳米管(Multi-walled carbon nanotubes MWNTs)。其中SWNTs作为优良的准一维纳米材料，因其具有较高的载流子迁移率而被用作制造场效应晶体管(FET)、薄膜晶体管(TFT)等纳电子器件，有望取代硅材料而成为下一代微电子器件的关键材料。

众所周知，SWNTs的光学、电学性质取决于它们的直径和手性分布，根据直径和手性的不同，SWNTs可表现为金属性；也可表现为半导体性，且半导体性SWNTs的带隙与其直径的倒数成线性关系。然而，目前绝大部分SWNTs样品是由多种具有不同直径和手性的SWNTs组成的，这些碳纳米管之间相互缠绕，难以分离，进而无法保证SWNTs基器件性能的均一性，这已经成为阻碍了SWNTs在纳电子器件中大规模应用的一个亟待解决的科学难题。近几年来，在SWNTs的可控性制备方面已经取得了不少进展(M.G.Hahm，et al.J.Phys.Chem.C 2008，112：17143-17147)。但这些可控性制备技术主要是利用化学气相沉积法(CVD)控制催化剂大小、碳源或生长条件等来实现SWNTs的可控性制备。而CVD法所制备的SWNTs具有结构缺陷、结晶度不高等缺点，不利于发挥SWNTs的优异电性能。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种电弧放电法与反应性气体相结合来可控性制备单壁碳纳米管的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种采用低压反应性气体可控性制备单壁碳纳米管的方法，以硫为生长促进剂，将过渡金属催化剂、生长促进剂与高纯石墨粉混合后制得阳极，然后在充有低压反应性气体的缓冲气体中与纯石墨阴极进行电弧放电，通过调节放电电流、电压、低压反应性气体的种类及压力进行单壁碳纳米管的可控性制备。

所述的过渡金属催化剂为铁、钴、镍或钇的一种或几种，或是上述过渡金属元素的化合物中的一种或几种。

所述的过渡金属催化剂优选镍-钇的混合物、铁粉或铁-钴-镍的混合物。

所述的阳极中的过渡金属催化剂的含量为1～6at％。

所述的阳极中的生长促进剂的含量为0.2～2at％。

所述的低压反应性气体为二氧化碳、氮氧化合物或硫化氢，所述的氮氧化合物为NO₂或N₂O，低压反应性气体的压力为0.1～10kPa。

所述的缓冲气体为氦气、氩气或氢气中的一种或几种，缓冲气体的气压为20～40kPa。

放电电弧的电流70～120A，电压为30～70V。

与现有技术相比，本发明通过向缓冲气体中引入低压反应性气体，既可以对调控单壁碳纳米管的生长而实现直径可控，又可在一定程度上刻蚀制备过程中的无定形碳而提高产物纯度，同时还可以兼具电弧法制备单壁碳纳米管的低缺陷特点。

附图说明

图1为对比例所制备的单壁碳纳米管的拉曼光谱图；

图2为实施例1所制备的单壁碳纳米管的拉曼光谱图；

图3为添加不同含量CO₂时所制备的单壁碳纳米管的拉曼光谱图；

图4为实施例2所制备的单壁碳纳米管的拉曼光谱图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

对比例

将高纯石墨粉、Ni粉、Y₂O₃粉、硫粉按照摩尔比(C∶Ni∶Y∶S为93.5∶4.2∶1∶0.5)混合均匀后制成6mm阳极石墨棒。然后放入通有40kPa氦气(He)的电弧室内与进行直径为8mm纯石墨阴极相对进行电弧放电。放电电流为80～90A，电压为40～45V。放电时间为7分钟，制得约0.75g单壁碳纳米管。其拉曼光谱图如1所示，通过计算可得出产物中SWNTs的直径分别为1.49nm和1.35nm。