專利名稱：一種在多壁碳納米管中生成碳鏈的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種是多壁碳納米管中生成碳鏈的方法，也即碳納米線的制備方法， 屬于納米技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
碳納米線是在碳納米管的中心包含一根數(shù)百個(gè)sp雜化的碳原子連接形成的一維長(zhǎng)鏈所組成的結(jié)構(gòu)。2003年，趙新洛等人在利用氫電弧法制備出的多壁碳納米管中發(fā)現(xiàn)了碳納米線(Zhao X. L. et al. Phys. Rev. Lett. 2003, 187401)。他們是在氫氣氣氛中， 在兩個(gè)純石墨電極棒之間激發(fā)直流電弧制備的。2004年，Jirmo M.等人在氫氣氮?dú)獾幕旌蠚怏w氣氛和氘氣氣氛中利用電弧法分別制備出碳納米線(Jinno M. et al. Chem. Phys. Let. 2004, 398: 256-259). 2008年，Castriota Μ.等人在氦氣中利用電弧法制備出碳納米線(Castriota Μ. et al. Surf. Sci. 2007，601: 3926-3932)。2010 年，Compagnini G.等人在液氮中，利用電弧法制備出碳納米線(Compagnini G. et al. J. Optoelectron. Adv. Μ. 2010, 12: 456-460)。2010年，Chen B.等人在含有催化劑La和Y的陽極，與純石墨棒陰極之間，利用氫電弧法也制備出了碳納米線(Chen B. et al. J. Nanosci. Nanotechno. 2010, 10: 4038-4042)。以上方法制備的碳納米線中的碳鏈都是存在于同時(shí)生長(zhǎng)的多壁碳納米管內(nèi)。2006年，Endo M.等人高溫處理雙壁碳納米管，在兩個(gè)雙壁碳納米管管壁相互聯(lián)結(jié)之處，形成了連接兩個(gè)雙壁碳納米管的碳鏈(Endo M et al. Small 2006， 2: 1031-1036)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在多壁碳納米管中生成碳鏈的方法，此方法基于含小直徑最內(nèi)層管的多壁碳納米管的制備、空氣處理和高溫處理過程。本發(fā)明一種在多壁碳納米管中生成碳鏈的方法，其特征在于具有以下的過程和步驟
a.含小直徑最內(nèi)層管的多壁碳納米管的制備
含小直徑最內(nèi)層管的多壁碳納米管由氫以弧法制得；采用氫氣的壓強(qiáng)控制在 60 SOTorr ；陰極和陽極均為圓柱形純石墨材料制成；陰極和陽極的直徑分別為IOmm和 6mm ；兩極之間的距離為1 2mm ；直流電流大小為40 70A ；
b.在空氣中熱處理多壁碳納米管
將上述步驟得到的多壁碳納米管在空氣氣氛中500 550°C進(jìn)行熱處理1 12h ； 該過程為作提純作用的熱處理；
c.在保護(hù)性氣體下高溫處理
將上述空氣處理過的含小直徑最內(nèi)層管的多壁碳納米管置于以石墨為爐腔的高溫爐中，爐腔內(nèi)充有高純度的保護(hù)性氣體氬氣或氦氣；加熱介溫至1200 1700°C，并保溫 1 證；最終在多壁碳納米管中生成碳鏈，也即得到碳納米線。
高溫處理后的多壁碳納米管在外表形貌上變化不大，說明得到的碳納米線在常溫下可穩(wěn)定存在。多壁碳納米管最內(nèi)層管中一維碳原子鏈的形成機(jī)理還不太確定，目前有以下兩種解釋一是高溫使得多壁碳納米管內(nèi)的無定形碳原子重新排布形成一維碳原子鏈； 二是高溫下多壁碳納米管外的碳原子的布朗運(yùn)動(dòng)加劇，碳原子逐步進(jìn)入剛好容納一個(gè)碳原子大小的多壁碳納米管管腔中，經(jīng)過足夠長(zhǎng)的時(shí)候后，先后進(jìn)入碳納米管中的碳原子前后排列就形成了一維碳原子鏈。


圖1制備的含小直徑最內(nèi)層管的多壁碳納米管的掃描電子顯微鏡照片(SEM)。圖2空氣處理后的多壁碳納米管的掃描電子顯微鏡照片(SEM)。圖3高溫處理前后多壁碳納米管的拉曼光譜圖(Raman)。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)將本發(fā)明的具體實(shí)施例敘述于后。 實(shí)施例本實(shí)施例中的制備步驟如下
(1)含小直徑最內(nèi)層管的多壁碳納米管的制備
多壁碳納米管樣品由氫電弧法制備得到。氫氣壓強(qiáng)為70 Torr;兩電極均為圓柱形純石墨材料，陰極和陽極的直徑分別是10 mm和6 mm，兩電極之間的間距為約1. 5mm ；直流電流大小為50 A0(2)空氣處理多壁管樣品
將上述步驟得到的樣品在空氣氣氛中520 ！進(jìn)行處理12 h。(3)高溫處理多壁碳納米管樣品
將步驟(2)得到的多壁碳納米管樣品置于以石墨為爐腔的高溫爐中，爐腔內(nèi)充滿高純度的保護(hù)性氣體如氬氣、或氦氣。升溫至1500 ！后，保溫2小時(shí)，即可得到碳納米線樣
P
ΡΠ O碳納米線形成的必備條件的探討
要形成碳納米線必須具備以下四個(gè)條件
第一，多壁碳納米管的最內(nèi)層管直徑必須大小合適，約0. 7nm。碳納米管的直徑太小，則碳原子無法進(jìn)入碳納米管管腔；直徑太大，則無法約束碳鏈在管腔內(nèi)穩(wěn)定存在。第二，在空氣中處理足夠長(zhǎng)的時(shí)間是必須的。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，沒有經(jīng)過空氣處理的多壁管樣品高溫處理不出碳納米線。空氣處理可以將多壁碳納米管兩邊端口打開，這樣碳原子才可以進(jìn)入到多壁碳納米管的內(nèi)部。第三，高溫處理的溫度適當(dāng)。溫度太高，則碳納米線不能穩(wěn)定存在；溫度太低，則碳原子的運(yùn)動(dòng)緩慢，無法使較多的碳原子進(jìn)入碳納米管。第四，處理時(shí)間要長(zhǎng)短適當(dāng)。處理時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)破壞碳納米管的結(jié)構(gòu)，影響碳納米線的形成；處理時(shí)間太短，就沒有足夠多的碳原子進(jìn)入碳納米管，從而無法形成碳納米線。儀器檢測(cè)實(shí)施例中的樣品通過各項(xiàng)儀器檢測(cè)，所得結(jié)果示于各附圖中。圖1是制備的含小直徑最內(nèi)層管的多壁碳納米管的掃描電子顯微鏡照片?？梢钥闯龆啾诠荛L(zhǎng)度較長(zhǎng)，但含有較多碳雜質(zhì)。圖2是空氣處理后的多壁碳納米管的掃描電子顯微鏡照片。可以看出碳雜質(zhì)基本被處理掉，實(shí)驗(yàn)證明雜質(zhì)少、純度高有利于碳納米線的生成。圖3是處理前后樣品的Raman光譜圖?？梢杂?jì)算出，未處理前，多壁碳納米管的最內(nèi)層管直徑在0.7 nm附近(Raman峰在388 cnT1)，并且高溫處理沒有對(duì)它形成破壞，符合碳納米線形成的必備條件。在高溫處理后，波數(shù)為1855 cnT1附近出現(xiàn)了一個(gè)半高寬很窄 ( 10 cm-1)的峰，是碳納米線的特征峰，波數(shù)為3700 cm—1附近出現(xiàn)的峰，是碳納米線特征峰(1855 cm-1)的二階峰，這是碳納米線存在的證據(jù)。
權(quán)利要求
1. 一種在多壁碳納米管中生成碳鏈的方法，其特征在于具有以下的過程和步驟a.含小直徑最內(nèi)層管的多壁碳納米管的制備含小直徑最內(nèi)層管的多壁碳納米管由氫以弧法制得；采用氫氣的壓強(qiáng)控制在 60 SOTorr ；陰極和陽極均為圓柱形純石墨材料制成；陰極和陽極的直徑分別為IOmm和 6mm ；兩極之間的距離為1 2mm ；直流電流大小為40 70A ；b.在空氣中熱處理多壁碳納米管將上述步驟得到的多壁碳納米管在空氣氣氛中500 550°C進(jìn)行熱處理1 12h ； 該過程為作提純作用的熱處理；c.在保護(hù)性氣體下高溫處理將上述空氣處理過的含小直徑最內(nèi)層管的多壁碳納米管置于以石墨為爐腔的高溫爐中，爐腔內(nèi)充有高純度的保護(hù)性氣體氬氣或氦氣；加熱介溫至1200 1700°C，并保溫 1 證；最終在多壁碳納米管中生成碳鏈，也即得到碳納米線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在多壁碳納米管中生成碳鏈的方法，也即碳納米線的制備方法，屬于納米技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明中碳納米線的制備方法包括三個(gè)步驟首先，用氫電弧蒸發(fā)純石墨棒，在陰極堆積物中得到最內(nèi)層管管徑約0.7nm的多壁碳納米管。然后，將上述多壁管樣品在空氣中進(jìn)行熱處理，得到除去其它碳雜質(zhì)的干凈的多壁碳納米管。最后，在惰性氣體氣氛中，高溫處理上述樣品。本發(fā)明提供一種新的在多壁碳納米管樣品中再生長(zhǎng)碳鏈的方法，對(duì)于碳納米線的研究有很大幫助，并且可以應(yīng)用于碳納米線的大量制備。
文檔編號(hào)C01B31/02GK102205957SQ20111008601
公開日2011年10月5日 申請(qǐng)日期2011年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月7日
發(fā)明者安康, 盛雷梅, 石磊, 趙新洛, 郁黎明, 金愛進(jìn) 申請(qǐng)人:上海大學(xué)