[发明专利]单壁碳纳米管薄膜的气相连续制备方法及专用装置

说明书

技术领域

本发明涉及单壁碳纳米管的浮动催化剂化学气相沉积法制备及其薄膜连续收集技术，具体为一种单壁碳纳米管薄膜的气相连续制备方法及专用装置。

背景技术

透明、柔性的薄膜晶体管电路在未来的电子纸、柔性电池、电子标签、柔性透明显示等领域具有广阔的应用前景。碳纳米管作为准一维纳米材料具有优异的电学、光学和力学特性，适合于制备透明导电薄膜和柔性薄膜晶体管电路，可望促进柔性光电器件的发展。

单壁碳纳米管的制备方法包括电弧放电法、激光烧蚀法和化学气相沉积法等。电弧放电法和激光烧蚀法制备的碳纳米管在应用中，通常需要进行溶液分散、纯化和分离等后处理工艺，这些工艺会使碳纳米管产生表面破坏、长度变短、界面污染等缺陷，降低碳纳米管及其薄膜的光电学性能。化学气相沉积法可实现水平、垂直碳纳米管阵列和随机分布的碳纳米管薄膜的制备，由于制备装置成本较低、易于放大，且碳纳米管制备的产率高，该方法已经成为一种制备碳纳米管薄膜材料的有效技术。基于碳纳米管合成中催化剂固定/担载和浮动形式，化学气相沉积法可制备出基底支撑/担载式和自支撑式碳纳米管。在浮动催化剂化学气相沉积方法中，催化剂前驱体被载气带入反应区，分解为金属催化剂颗粒，碳源在其上分解生长碳纳米管，并被气流携带出反应区，可以大大降低碳纳米管的制造成本，有良好的产业化应用前景。[文献1,Cheng HM,Li F,Su G,Pan HY,He LL,Sun X,Dresselhaus MS,Appl.Phys.Lett.,1998,72(25),3282-3284]。

目前，浮动催化剂化学气相沉积法收集薄膜的方式为在反应区末端安装微孔滤膜收集装置，生成的碳纳米管随载气流出反应区、沉积在微孔滤膜上。通过调节收集时间，碳纳米管薄膜的厚度可从亚单层(碳纳米管的数量不足以形成连续薄膜)到数微米量级，滤膜上的碳纳米管薄膜可以转移到包括塑料、玻璃、石英、硅片和金属等基底上，这种不同厚度的碳纳米管薄膜在薄膜晶体管和透明导电薄膜等领域具有应用前景。[文献2,Nasibulin AG,Kaskela A,Mustonen K,Anisimov AS,Ruiz V,Kivsto S,Rackauskas S,Timmermans MY,Pudas,M,Aitchison B,Kauppinen M,Brown DP,Okhotnikov,OG,Kauppinen EI,ACS Nano,2011,5(4),3214-3221]。

通常微孔滤膜安装在针式过滤器中，一方面，过滤器只能放置单片滤膜，圆片滤膜的直径一般在十几到几十毫米量级；另一方面，气相过滤过程需要在密闭的环境中进行，不能满足连续化成膜要求。虽然浮动催化剂化学气相沉积法具备了宏量连续合成单壁碳纳米管的优势和特点，然而目前已有碳纳米管的成膜技术不适用于连续制备大面积、均匀、密度可控的单壁碳纳米管薄膜，阻碍了单壁碳纳米管薄膜的规模化应用进程。目前的主要问题是如何充分发挥浮动催化剂化学气相沉积法可连续生长的优势、实现大面积碳纳米管薄膜的连续、均匀收集，以满足其商业化应用的需求。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种单壁碳纳米管薄膜的气相连续制备方法及专用装置，克服浮动催化剂化学气相沉积法收集碳纳米管薄膜的不连续性问题。

本发明的目的之二在于提供一种常温、常压下大面积(宽幅米级，长幅不受限)单壁碳纳米管薄膜的气相连续制备方法及专用装置，克服已有的单片滤膜收集方法所获得的单壁碳纳米管薄膜尺寸小(厘米级)的问题。

本发明的目的之三在于提供一种均匀、密度可控的单壁碳纳米管薄膜的气相连续制备方法及专用装置，克服了碳纳米管薄膜密度控制问题。

本发明的技术方案是：

一种单壁碳纳米管薄膜的气相连续制备方法，在常压室温条件下利用气相抽滤装置，将浮动催化剂化学气相沉积法合成的单壁碳纳米管沉积到匀速移动的微孔滤膜表面，通过控制微孔滤膜的移动速度并调控气流量平衡，获得大面积、均匀、密度可控的单壁碳纳米管薄膜。

所述的单壁碳纳米管薄膜的气相连续制备方法，微孔滤膜为柔性微孔膜：硝酸纤维素膜、醋酸纤维素膜、硝酸纤维醋酸纤维素混合膜或聚偏氟乙烯膜。