[发明专利]直接液相电热催化合成超长碳纳米线的方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及碳纳米线制备技术领域，具体地说，是直接由液相碳源电热催化合成超长碳纳米线的方法及其装置。

背景技术

纳米材料被誉为是21世纪的重要材料，将是构成未来智能社会的四大支柱之一。纳米材料是指以纳米尺度的物质单元为基础按照一定的规律构造或营造的新的体系，包括一、二、三维体系，其物质单元包括纳米颗粒、纳米管、纳米线、稳定的团簇等。

自1991年日本科学家饭岛(Iijima)发现了碳纳米管以来，由于其具有良好的电学、力学、热学等特性以及在微传感器、场发射平板显示器、复合材料等领域广泛的应用前景，碳纳米管得到了社会广泛的关注。研究和开发经济、简单及环境友好的新型碳纳米材料的制备工艺成为碳纳米管研究的重要方向，也是科学工作者们努力研究的课题。

作为纳米材料的成员之一，纳米线具有优异的光学性能、电学性能及力学性能，这些特性引起了凝聚态物理界、化学界及材料学界科学家们的关注，成为近年来纳米材料研究的热点。

纳米线的制备总体上可分为物理法、化学法。其中，物理法包括激光烧蚀法、激光沉积法、蒸发冷凝发和电弧放电法等。化学法包括化学气相沉积法、水热法、模板法等。化学法中的水热法已被广泛应用于合成各种纳米线材料。

水热法合成纳米线主要是从两个方面进行的：（1）利用产物本身晶体的各向异性，在一定条件下，某个面生长速度更快，从而合成出纳米线，包括难溶物在一定条件下先溶解再结晶生成产物。目前研究较多的是钒酸盐、铌酸盐和钨酸盐，某些产物有很高的长径比和良好的均一性。但是，该方法因受产物本身特性的影响，适用性并不广泛。（2）利用化学法中的模板法辅助生长合成纳米线，其目前的研究主要是利用合适的表面活性剂辅助作为软模板来合成。模板法因不受产物本身特性的影响而具有较广泛的研究前景，特别是具有均匀、高长径比孔道的硬模板有望合成一些特殊相态的纳米线。

目前的研究表明，通过纳米线的各种制备方法，可制备出金属、半导体、合金及聚合物等材料的纳米线，其中，报道相对集中的是Si纳米线和石墨包裹的金属纳米线，而针对碳纳米线的研究则相对较少。

碳纳米线的生长、物理特性以及应用与碳纳米管相似。碳纳米线从形貌上看有平直状碳纳米线、螺旋状碳纳米线、Y型碳纳米线及多方向生长的碳纳米线；从晶体结构来说，有的碳纳米线晶化程度很高、缺陷很少、晶格排列规则整齐，有的石墨化程度很低，甚至于接近非晶态，有的则是由纳米晶夹杂着一些非晶态的碳组成。制备高质量、高纯度的碳纳米线或者是碳纳米管，是研究碳纳米线和碳纳米管性能及应用的前提和基础。目前，碳纳米线的制备方法主要有物理法中的电弧放电法、激光蒸发石墨法及化学气相沉积法等。电弧放电法和激光蒸发石墨法合成的碳纳米线的石墨化程度高，工艺参数较易控制，已成为制备碳纳米管、碳纳米线及探索新型纳米材料的经典方法。但是，这些方法的投资较大、装置较复杂，不易规模化生产，且制备的产物中杂质含量较高。化学气相沉积法是近几年发展起来的中温合成法，其合成温度相对较低，一般在500～1200℃，具有成本低、产量大、碳源种类丰富、试验条件易于控制等优点，具有工业化大规模生产的发展前景；目前市场上商业化供应的碳纳米管大多采用此种方法制得。

总的来说，传统的气相合成碳纳米线存在反应温度高、压力大、设备要求高、成本高的主要问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种直接液相电热催化合成超长碳纳米线的方法，它应具有不需施加外界压力、设备要求较低，操作简单、可以较低成本批量生产碳纳米线的优点；本发明的另一个目的是，提供所述的方法能够采用的一种装置。

本发明是要在传统气相催化沉积的基础上，提出一种全新的液相电热催化沉积法：碳纳米线（包括碳纳米管）的合成在液相中直接进行，在不需施加外加压强和模板的情况下通过电加热的方法使负载有催化剂组分的单晶硅片迅速升温，在单晶硅片表面及附近的局部营造一个气相环境，并将其表面及附近的液相有机物气化并在催化剂的作用下裂解，继而生长成超长碳纳米线（包括碳纳米管）；同时结合水的作用，考察在不同含水率下碳纳米线的生长情况。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：