專利名稱：一種制備單壁碳納米管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種制備單壁碳納米管的方法，屬于碳納米管制備領(lǐng)域，具體而言涉及一種在低壓氣氛下采用廉價催化劑直流電弧放電法大量制備單壁碳納米管的方法。
背景技術(shù)：
單壁碳納米管自1993年被發(fā)現(xiàn)以來，因其獨(dú)特的一維結(jié)構(gòu)而具有獨(dú)特的力學(xué)、機(jī)械、電子和量子等特性，作為場發(fā)射材料、儲氫材料、量子導(dǎo)線、納米電子元件、催化劑載體等極具潛力，成為物理學(xué)、化學(xué)和材料科學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域中最前沿的研究領(lǐng)域之一，已在全世界范圍內(nèi)引起各國學(xué)者的廣泛關(guān)注和極大興趣。
單壁碳納米管的制備方法主要有電弧放電法、激光燒蝕法和催化裂解碳?xì)浠衔锓ǖ?。電弧法制備單壁碳納米管具有設(shè)備簡易、操作簡單、產(chǎn)量大、產(chǎn)物的晶化程度高等優(yōu)點(diǎn)成為制備單壁碳納米管最常用的方法之一。
傳統(tǒng)電弧法制備單壁碳納米管是在一個密閉的充有一定壓力惰性氣體的反應(yīng)空腔里，在兩根石墨電極之間直接起弧產(chǎn)生的高溫來氣化添加有催化劑的消耗性陽極來實(shí)現(xiàn)的。電弧放電法制備單壁碳納米管所使用的催化劑一般為過渡金屬鐵、鈷、鎳、鉑、銠、鈀、鈰、鈥等。這些金屬過渡金屬單一使用或者兩種混合或者三種混合使用，如鐵/鈷、鐵/鎳、鎳/銥、鐵/鈷/鎳、鉑/銠、鉑/鈀等。劉暢等人發(fā)明的氫電弧半連續(xù)法，以鐵系金屬為催化劑制備出純度較高的單壁碳納米管束，進(jìn)一步改進(jìn)成氬氣/氫氣混合電弧可制備較高純度的單壁碳納米管長繩。由于氫元素能夠暫時性地消除單壁碳納米管生長過程中的懸鍵，可以制備出較長的單壁碳納米管束，氫氣對無定形碳具有刻蝕作用，可以降低產(chǎn)物中無定形碳的含量，制備出質(zhì)量更高的單壁碳納米管。在制備單壁碳納米管的過程中發(fā)現(xiàn)添加單質(zhì)硫或含硫物質(zhì)能提高制備單壁碳納米管的產(chǎn)率，硫元素被認(rèn)為是制備單壁碳納米管的生長促進(jìn)劑。
使用過渡金屬做催化劑制備單壁碳納米管，大多使用的為單質(zhì)金屬元素，而且這些金屬元素大多為貴重金屬，價格比較較貴，這無疑增加了制備單壁碳納米管的成本。鐵的氧化物是極易獲得、價格低廉的物質(zhì)，用鐵的氧化物作為制備高質(zhì)量單壁碳納米管的催化劑無疑能夠降低了制備單壁碳納米管的成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一種制備單壁碳納米管的方法，目的在于就是提供了一種在低壓氣氛下采用廉價催化劑直流電弧放電法大量制備單壁碳納米管的方法。
本發(fā)明一種制備單壁碳納米管的方法，其特征在于是一種采用直流電弧放電法制備單壁碳納米管的方法，具體來講就是在消耗性石墨陽極中填充金屬氧化物催化劑、含硫促進(jìn)劑和高純石墨粉的均勻混合物，并且在低壓氬氣/氫氣混合氣流氣氛下起弧放電，從而制得單壁碳納米管。
上述一種制備單壁碳納米管的方法，其特征在于是所述的消耗性石墨陽極為一端打孔，孔徑4～6mm，壁厚1mm，孔深60mm的高純石墨棒。
上述的一種制備單壁碳納米管的方法，其特征在于所述的金屬氧化物催化劑為四氧化三鐵、三氧化二鐵或者兩者的混合物，金屬氧化物催化劑在填充物中的含量為10～20wt.％。
上述的一種制備單壁碳納米管的方法，其特征在于所述的含硫促進(jìn)劑是添加硫化亞鐵作單壁碳納米管的生長促進(jìn)劑，硫化亞鐵在填充物中的含量為2～5wt.％。
上述的一種制備單壁碳納米管的方法，其特征在于所述的低壓氬氣/氫氣混合氣流氣氛為壓力150～250mmHg，氬氣/氫氣體積比為3∶1～3∶2，流量為800～1000ml/min的氬氣/氫氣的混合氣流。
本發(fā)明是一種制備單壁碳納米管的方法的優(yōu)點(diǎn)在于A、采用直流電弧法制備單壁碳納米管，設(shè)備簡易、操作簡單、產(chǎn)率高、產(chǎn)物得晶化程度高，且能達(dá)到大量制備的要求。
B、首次使用鐵的氧化物作為制備單壁碳納米管的催化劑，獲得高質(zhì)量、管徑較細(xì)的單壁碳納米管。
C、使用鐵的氧化物作催化劑制備的單壁碳納米管，降低了制備單壁碳納米管的成本。
D、使用氬氣/氫氣混合電弧法制備的單壁碳納米管純度較高，且無定型碳雜質(zhì)含量較少，易于純化。


圖1和圖2為使用鐵的氧化物作為催化劑，硫化亞鐵作生長促進(jìn)劑氬氣/氫氣電弧法制備的布狀和網(wǎng)狀產(chǎn)物的掃描電子顯微鏡(SEM)圖。
圖3和圖4為用鐵的氧化物作催化劑，硫化亞鐵作生長促進(jìn)劑制備的布狀和網(wǎng)狀產(chǎn)物的拉曼光譜圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施方式1用15wt.％四氧化三鐵作催化劑，4wt.％的硫化亞鐵作促進(jìn)劑和高純石墨粉均勻混合后填充在一端打孔(孔徑6mm，壁厚1mm，孔深60mm)的高純石墨棒中，起弧電流90A，保持兩極間～4mm的間距，在200mmHg壓力，800ml/min的氬氣/氫氣(體積比為3∶2)混合氣流條件下進(jìn)行起弧放電，放電時間約12分鐘，得到約0.8克布狀和網(wǎng)狀產(chǎn)物。制得的布狀產(chǎn)物的掃描電子顯微鏡圖見圖1。
實(shí)施方式2以15wt.％的三氧化二鐵作催化劑，4wt.％的硫化亞鐵作促進(jìn)劑高純石墨粉均勻混合后填充在一端打孔(孔徑6mm，壁厚1mm，孔深60mm)的高純石墨棒中，起弧電流100A，保持兩極間～4mm的間距，在200mmHg壓力，900ml/min的氬氣/氫氣(體積比為3∶2)混合氣流條件下進(jìn)行起弧放電，放電時間約10分鐘，得到約0.7克布狀和網(wǎng)狀產(chǎn)物。制得的網(wǎng)狀產(chǎn)物的掃描電子顯微鏡圖見圖2。
實(shí)施方式3以15wt.％三氧化二鐵和四氧化三鐵混合物(質(zhì)量比為1∶1)作催化劑，4wt.％硫化亞鐵作促進(jìn)劑和高純石墨粉均勻混合后填充在一端打孔(孔徑6mm，壁厚1mm，孔深60mm)的高純石墨棒中，起弧電流80A，保持兩極間～4mm的間距，在200mmHg壓力，800ml/min的氬氣/氫氣(體積比為3∶2)混合氣流條件下進(jìn)行起弧放電，放電時間約16分鐘，得到約0.85克布狀和網(wǎng)狀產(chǎn)物。制得的布狀產(chǎn)物的拉曼譜見圖3。
實(shí)施方式4用15wt.％四氧化三鐵作催化劑，3wt.％的硫化亞鐵作促進(jìn)劑和高純石墨粉均勻混合后填充在一端打孔(孔徑6mm，壁厚1mm，孔深60mm)的高純石墨棒中，起弧電流90A，保持兩極間～4mm的間距，在250mmHg壓力，800ml/min的氬氣/氫氣(體積比為3∶2)混合氣流條件下進(jìn)行起弧放電，放電時間約12分鐘，得到約0.8克布狀和網(wǎng)狀產(chǎn)物。制得的網(wǎng)狀產(chǎn)物的拉曼譜見圖4。
實(shí)施方式5用10wt.％三氧化二鐵作催化劑，2wt.％的硫化亞鐵作促進(jìn)劑和高純石墨粉均勻混合后填充在一端打孔(孔徑6mm，壁厚1mm，孔深60mm)的高純石墨棒中，起弧電流80A，保持兩極間～4mm的間距，在150mmHg壓力，1000ml/min的氬氣/氫氣(體積比為3∶1)混合氣流條件下進(jìn)行起弧放電，放電時間約17分鐘，得到約0.4克布狀和網(wǎng)狀產(chǎn)物。
實(shí)施方式6用13wt.％三氧化二鐵作催化劑，2wt.％的硫化亞鐵作促進(jìn)劑和高純石墨粉均勻混合后填充在一端打孔(孔徑4mm，壁厚1mm，孔深60mm)的高純石墨棒中，起弧電流90A，保持兩極間～4mm的間距，在250mmHg壓力，900ml/min的氬氣/氫氣(體積比為3∶2)混合氣流條件下進(jìn)行起弧放電，放電時間約15分鐘，得到約0.4克布狀和網(wǎng)狀產(chǎn)物。
實(shí)施方式7用18wt.％四氧化三鐵作催化劑，3wt.％的硫化亞鐵作促進(jìn)劑和高純石墨粉均勻混合后填充在一端打孔(孔徑6mm，壁厚1mm，孔深60mm)的高純石墨棒中，起弧電流100A，保持兩極間～4mm的間距，在200mmHg壓力，800ml/min的氬氣/氫氣(體積比為3∶1)混合氣流條件下進(jìn)行起弧放電，放電時間約12分鐘，得到約0.6克布狀和網(wǎng)狀產(chǎn)物。
實(shí)施方式8用18wt.％三氧化二鐵作催化劑，5wt.％的硫化亞鐵作促進(jìn)劑和高純石墨粉均勻混合后填充在一端打孔(孔徑4mm，壁厚1mm，孔深60mm)的高純石墨棒中，起弧電流80A，保持兩極間～4mm的間距，在200mmHg壓力，800ml/min的氬氣/氫氣(體積比為3∶2)混合氣流條件下進(jìn)行起弧放電，放電時間約10分鐘，得到約0.4克布狀和網(wǎng)狀產(chǎn)物。
實(shí)施方式9用20wt％四氧化三鐵作催化劑，3wt％的硫化亞鐵作促進(jìn)劑和高純石墨粉均勻混合后填充在一端打孔(孔徑6mm，壁厚1mm，孔深60mm)的高純石墨棒中，起弧電流80A，保持兩極間～4mm的間距，在200mmHg壓力，900ml/min的氬氣/氫氣(體積比為3∶2)混合氣流條件下進(jìn)行起弧放電，放電時間約16分鐘，得到約0.7克布狀和網(wǎng)狀產(chǎn)物。
實(shí)施方式10用20wt％四氧化三鐵作催化劑，4wt％的硫化亞鐵作促進(jìn)劑和高純石墨粉均勻混合后填充在一端打孔(孔徑6mm，壁厚1mm，孔深60mm)的高純石墨棒中，起弧電流80A，保持兩極間～4mm的間距，在200mmHg壓力，1000ml/min的氬氣/氫氣(體積比為3∶2)混合氣流條件下進(jìn)行起弧放電，放電時間約17分鐘，得到約0.5克布狀和網(wǎng)狀產(chǎn)物。
實(shí)施方式11用18wt.％三氧化二鐵和四氧化三鐵混合物(質(zhì)量比為2∶1)，2wt.％的硫化亞鐵作促進(jìn)劑和高純石墨粉均勻混合后填充在一端打孔(孔徑6mm，壁厚1mm，孔深60mm)的高純石墨棒中，起弧電流90A，保持兩極間～4mm的間距，在200mmHg壓力，900ml/min的氬氣/氫氣(體積比為3∶2)混合氣流條件下進(jìn)行起弧放電，放電時間約13分鐘，得到約0.7克布狀和網(wǎng)狀產(chǎn)物。
權(quán)利要求
1.一種制備單壁碳納米管的方法，其特征在于是一種采用直流電弧放電法制備單壁碳納米管的方法，具體來講就是在消耗性石墨陽極中填充金屬氧化物催化劑、含硫促進(jìn)劑和高純石墨粉的均勻混合物，并且在低壓氬氣/氫氣混合氣流氣氛下起弧放電，從而制備單壁碳納米管。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種制備單壁碳納米管的方法，其特征在于是所述的消耗性石墨陽極為一端打孔，孔徑4～6mm，壁厚1mm，孔深60mm的高純石墨棒。
3.按照權(quán)利要求1所述的一種制備單壁碳納米管的方法，其特征在于所述的金屬氧化物催化劑為四氧化三鐵、三氧化二鐵或者兩者的混合物，金屬氧化物催化劑在填充物中的含量為10～20wt.％。
4.按照權(quán)利要求1所述的一種制備單壁碳納米管的方法，其特征在于所述的含硫促進(jìn)劑是添加硫化亞鐵作單壁碳納米管的生長促進(jìn)劑，硫化亞鐵在填充物中的含量為2～5wt.％。
5.按照權(quán)利要求1所述的一種制備單壁碳納米管的方法，其特征在于所述的低壓氬氣/氫氣混合氣流氣氛為壓力150～250mmHg，氬氣/氫氣的體積比為3∶1～3∶2，流量為800～1000ml/min。
全文摘要
一種制備單壁碳納米管的方法屬于碳納米管制備領(lǐng)域，具體而言涉及一種在低壓氣氛下采用廉價催化劑直流電弧放電法大量制備單壁碳納米管的方法。其特征在于是以鐵的氧化物作為制備單壁碳納米管的催化劑并添加含硫物質(zhì)作生長促進(jìn)劑，催化劑、促進(jìn)劑和石墨粉均勻混合后填充到鉆孔的石墨棒中作為消耗性陽極，在低壓氬氣/氫氣混合氣流氣氛下進(jìn)行直流電弧放電，制得布狀和網(wǎng)狀產(chǎn)物。制備的布狀和網(wǎng)狀產(chǎn)物中含有大量純度較高的單壁碳納米管。
文檔編號B82B3/00GK1887701SQ200610012980
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月21日
發(fā)明者呂永康, 孫喜, 鮑衛(wèi)仁 申請人:太原理工大學(xué)