[发明专利]一种在碳纤维纸基底上直接生长碳纳米管阵列的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，特别涉及一种在碳纤维纸基底上直接生长碳纳米管阵列的方法。

背景技术

碳纳米管是典型的一维纳米材料，由于其独特的结构、优异的物理、化学性能和广阔的应用前景而备受关注。碳纳米管具有较好的电荷传输性能，可以用作绿色储能器件的电极材料促进电子转移，如燃料电池、超级电容器、全钒液流电池及有机太阳能电池，具有广泛的应用前景。

通常制备得到的碳纳米管是非取向性的，呈缠绕状，碳纳米管优异的管径比及比表面积都大打折扣，许多一维材料的优异性能得不到有效地发挥，严重影响了碳纳米管的性质研究和实际应用。因此，探索制备取向性好的碳纳米管阵列的方法，具有十分重要的意义。目前，许多研究者已经在硅基底、石英基底及其它金属镀膜基底上生长出碳纳米管阵列。Ren ZF(Science 1998；282：1105-7)和Fan SS(Science 1999；283：512-4)分别在玻璃和多孔硅基底上生长出多壁碳纳米管阵列。但是催化剂制备过程复杂，基底均为不导电的板状材料，需要经过转移才能应用为燃料电池等储能器件的电极材料。中国专利(2008201367639)公开了一种新型的阵列电极，导电基体涉及到钛、铝、铜、钽、钨、导电塑料或导电橡胶等，未涉及碳纸基体。中国专利(200710118930.7)公开了一种高取向碳纳米管薄膜的制备方法，该方法将碳纳米管溶液铺展在基片上，同时施加高压电场。该方法制备过程要求苛刻，不易控制，成本高。中国专利(200710118930.7)公开了一种基于化学气相沉积制备碳纳米管阵列的方法，采用合成气作为碳源，在非导电基体上生长碳纳米管。虽然该方法降低了制备碳纳米管的成本，但是不利于生产高质量的碳纳米管阵列。非导电基体不能直接作为燃料电池、超级电容器等储能器件的电极材料。

因此，提供一种工序简单、高密度、可以直接在导电基底碳纸上生长，适合在工业上大规模批量生产的碳纳米管阵列的制备方法是十分必要的。

发明内容

将碳纤维纸作为基底；在基底表面形成催化剂前驱体，所述催化剂分别可含有Fe、Co、Ni元素；将所述形成有催化剂前驱体的碳纤维纸基底置于反应炉内，加热所述基底至第一温度并保持预定时间，以去除催化剂前驱体中的有机物；在保护气体下，向反应炉内通入还原气体，对所述形成有催化剂前驱体的基底加热至第二温度并保持预定时间，以使催化剂前驱体中的Fe、Co、Ni元素还原；向反应炉中通入保护气体与碳源气体的混合气，并加热至第三温度，在所述基底的催化剂表面生长出高密度碳纳米管阵列。

本发明的优点在于提出的制备方法是通过控制沉积碳纳米管的催化剂颗粒大小来控制碳纳米管的管径，沉积碳纳米管的催化剂颗粒大小可以通过控制制备溶胶溶液的工艺参数来控制。相较于现有技术，溶胶凝胶法制备的催化剂前驱体可直接涂覆在碳纸表面，此方法简单易行，容易控制，成本低，有利于大面积、大批量生产，易于后续利用。使该碳纳米管/碳纸复合体有较大的应用范围，如燃料电池、超级电容器及全钒液流电池的电极材料，并适合在工业上批量生产。

附图说明

图1是本发明方法制的碳纳米管阵列的SEM图

具体实施方式

碳纸用稀盐酸、丙酮、酒精、去离子水逐一超声清洗并烘干待用。将不同浓度的Fe、Co、Ni酸盐溶液与有机溶剂混合制备出溶胶。将制备好的溶胶采用旋涂法或浸渍提拉法沉积于碳纤维纸基底。旋涂法的旋涂转速为4000-5000转/分钟，旋涂时间为30秒-2分钟。浸渍提拉法的提拉速度为10-20cm/分钟。湿膜在100℃热处理后重复浸渍提拉，提拉次数为3-10次。

将所述形成有催化剂前驱体的碳纤维纸基底置于反应炉内，在化学气相沉积系统中直接生长碳纳米管阵列：具体制备包括以下步骤：

(1)将涂有溶胶的碳纤维纸置于化学气相沉积系统的腔室内，开始升温，目标温度为300-500℃，保持时间为10-120分钟。

(2)炉温升至到400℃-600℃，通入保护气体和还原气体，保持时间为30-120分钟。保护气体为氮气、氩气或它们的混合物。还原气体为氢气。

(3)将炉温继续升至750-900℃，通入碳源气体，如甲烷、乙烷、乙炔、乙烯或它们的混合物。保持时间为15-90分钟。其中保护气体和碳源气体的体积比为1-1∶10。

下面结合具体实施进行说明。

实例1