专利名称：直径可控单壁碳纳米管的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种纳米材料技术领域的制备方法，尤其是一种采用电弧放电法的直 径可控单壁碳纳米管的制备方法。
背景技术：
碳纳米管(Carbon nanotubes ；CNT)因具有卓越的机械、热学性能和独特的电学 性能，因此在材料科学、化学、物理学、电子学以及其他交叉学科领域中，均具有极其广泛的 应用前景，目前将碳纳米管已经被应用于纳电子器件、场发射技术、生物载药、储氢技术等 等诸多领域。碳纳米管可分为单璧碳纳米管(SWNT)、双璧碳纳米管(DWNT)和多壁碳纳米管 (MWNT)。其中SWNT作为优良的准一维纳米材料，因其具有较高的载流子迁移率而被用作制 造场效应晶体管、薄膜晶体管等纳电子器件，有望取代硅材料而成为下一代微电子器件的 关键材料。众所周知，单壁碳纳米管的光学、电学性质取决于它们的直径和手性分布，根据 直径和手性的不同，SWNT表现为金属性和半导体性。而且半导体性SWNT的带隙也与其直 径大小有一定的关系。但是，传统方法制备的SWNT产物中，SWNT具有较宽的直径分布，金 属性和半导体性SWNT混合在一起，因而其光学、电学性能变化比较大。因此如何通过各种 技术控制SWNT的直径和手性分布，制备直径可控的单壁碳纳米管是解决采用SWNT大规模 制造SWNT基纳电子器件的关键技术之一。近几年来，很多研究者致力于直径可控的单壁碳纳米管的制备研究(M. G. Hahm, Y. K. Kwon, E.Lee, C. W. Ahn, Y. J. Jung. Diameter selective growth of vertically aligned singlewalled carbon nanotubes and study on their growth mechanism. J. Phys. Chem. C 2008，112 (44)，17143-17147)，其主要手段是通过化学气相沉积法(CVD) 控制催化剂大小、碳源或生长条件等来实现单壁碳纳米管的窄直径分布。但由于CVD法所 制备的SWNT存在缺陷，对SWNT的电性能有影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种直径可控单壁碳纳米管的 制备方法。通过向缓冲气体中混合一氧化碳气体来控制单壁碳纳米管直径的分布，所制的 单壁碳纳米管产品直径可控，保证了 SWNT基晶体管的性能一致性和高电子迁移率。本发明是通过以下技术方案实现，本发明包括以下步骤步骤一以过渡金属为催化剂，将催化剂与99. 99%的高纯石墨粉按比例充分混 合后制得直径为6mm的阳极石墨棒，阴极采用直径为8mm的纯石墨棒。所述过渡金属催化剂为铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、钇⑴的一种或几种混合物或者 化合物。所述过渡金属催化剂摩尔百分比为1 % 6%。所述阳极棒是将催化剂与99. 99%高纯石墨粉按比例充分混合后填棒制得。所述阳极棒是将催化剂与99. 99%高纯石墨粉按比例充分混合后加粘结剂挤压成棒并烧结制得。步骤二 将步骤一所制备的阳极石墨在充有含一氧化碳的缓冲气体的电弧室内与 阴极石墨棒正对，进行电弧放电。通过控制阴阳两极间的放电电流和放电电压和一氧化碳 压力，即可制得直径可控的单壁碳纳米管。所述一氧化碳的压力为8 30kPa。所述缓冲气体为氦、氩、氢等气体或它们的混合气体，气压为10 30kPa。所述放电电弧的电压为40 80V，电流60 110A。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果本发明通过调节缓冲气体中一氧 化碳气体压力，利用电弧放电法可以大量制备直径可控的单壁碳纳米管，从而保证单壁碳 纳米管在光学、电学性能的均一性，同时兼具电弧法制备单壁碳纳米管的低缺陷特点，将为 制备高性能SWCNT基纳米器件提供更有利的保障。该发明工艺简单、产率高，便于大规模推 广与应用。
图1为实施例1所制备的单壁碳纳米管的扫描电镜(SEM)照片；图2为实施例1所制备的单壁碳纳米管的投射电镜(TEM)照片；图3为对比例所制备的单壁碳纳米管的拉曼光谱图；图4为实施例1所制备的单壁碳纳米管的拉曼光谱图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的实施例作详细说明以下实施例在以本发明技术方案为 前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。对比例步骤一以高纯石墨粉、Ni粉、Y2O3粉为原料，按照摩尔比(C Ni Y为 94 4.8 1.2)，混合均勻后加入25wt%煤焦油混合挤压成直径为6mm的石墨棒，然后放 入氮气保护的高温炉中1000°C处理2小时，即制得阳极石墨棒。步骤二以步骤一所制阳极棒，直径为8mm纯石墨棒作为阴极，电弧放电在通有 30kPa氦气的电弧室中进行。放电电流为80 90A，电压为50 60V。放电时间为5分钟， 制得约0. 6g单壁碳纳米管。所制备产物的拉曼光谱图如3所示，通过计算得出产物中直径 为 1. 71nm、1. 49nm、1. 35nm 禾口 1. 28nm。实施例1步骤一以高纯石墨粉、Ni粉、Y2O3粉为原料，按照摩尔比(C Ni Y为 94 4.8 1.2)，混合均勻后加入25wt%煤焦油混合挤压成直径为6mm的石墨棒，然后放 入氮气保护的高温炉中1000°C处理2小时，即制得阳极石墨棒。步骤二以步骤一所制阳极棒，直径为8mm纯石墨棒作为阴极，电弧放电在通有 18kPa氦气和12kPa—氧化碳气体的电弧室中进行。放电电流为80 90A，电压为50 60V。放电时间为10分钟，制得约Ig窄直径分布的单壁碳纳米管。所制备产物的拉曼光谱 图如4所示，与对比例对照可以看出，直径较小的单壁碳纳米管(1.35nm、1.28nm)消失、只
4剩下直径较大的单壁碳纳米管(1. 71nm、l. 49nm)。实施例2步骤一以高纯石墨粉、Fe粉为原料，按照摩尔比(C Fe为99 1)，混合均勻后 加入25wt%煤焦油混合挤压成直径为6mm的石墨棒，然后放入氮气保护的高温炉中1000°C 处理2小时，即制得阳极石墨棒。步骤二以步骤一所制阳极棒，直径为8mm纯石墨棒作为阴极，电弧放电在通有 12kPa氢气、18kPa氩气和8kPa—氧化碳气体的电弧室中进行。放电电流为60 70A，电压 为60 70V。放电时间为12分钟，制得约0. Sg窄直径分布的单壁碳纳米管。实施例3步骤一以高纯石墨粉、Ni粉、Co粉、Fe粉为原料，按照摩尔比(C Ni Co Fe 为95.8 3 0.6 0.6)，混合均勻后填充于内径4mm，深5cm的6mm石墨棒中，即为阳极
石墨棒。步骤二以步骤一所制阳极棒，直径为8mm纯石墨棒作为阴极，电弧放电在通有 8kPa氢气、12kPa氩气和IOkPa—氧化碳气体的电弧室中进行。放电电流为100 110A，电 压为40 50V。放电时间为5分钟，制得约0. 6g窄直径分布的单壁碳纳米管。实施例4以高纯石墨粉、Ni粉、Y2O3粉为原料，按照摩尔比(C Ni Y为94. 8 4. 2 1)， 混合均勻后填充于内径4mm，深4cm的6mm石墨棒中，即为阳极石墨棒。步骤二以步骤一所制阳极棒，直径为8mm纯石墨棒作为阴极，电弧放电在通有 18kPa氦气和12kPa —氧化碳气体的电弧室中进行。放电电流为100 110A，电压为60 70V。放电时间为4分钟，制得约0. 6g窄直径分布的单壁碳纳米管。
权利要求
一种直径可控单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤步骤一以过渡金属为催化剂，将催化剂与99.99％的石墨粉按比例充分混合后制得直径为6mm的阳极棒，阴极采用直径为8mm的纯石墨棒；步骤二将阳极石墨在充有含一氧化碳的缓冲气体的电弧室内与阴极石墨棒正对，进行电弧放电；通过控制阴阳两极间的放电电流和放电电压和一氧化碳压力，即可制得直径可控的单壁碳纳米管。
2.根据权利要求1所述的直径可控单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于所述过渡 金属催化剂为铁、钴、镍、钇的一种或几种混合物或者化合物。
3.根据权利要求1所述的直径可控单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于所述过渡 金属催化剂摩尔百分数为 6%。
4.根据权利要求1所述的直径可控单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于所述阳极 棒的制备方法为原料混合后填棒制得或混合后加粘结剂挤压成棒。
5.根据权利要求1所述的直径可控单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于所述一氧 化碳，其气压为8 30kPa。
6.根据权利要求1所述的直径可控单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于所述缓冲 气体有氦、氩、氢等气体或它们的混合气体，气压为10 30kPa。
7.根据权利要求1所述的直径可控单壁碳纳米管的制备方法，其特征在于所述放电 电弧的电压为40 80V，电流60 110A。
全文摘要
一种纳米材料技术领域的直径可控单壁碳纳米管的制备方法，包括如下步骤步骤一以过渡金属为催化剂，将催化剂与99.99％的石墨粉按比例充分混合后制得直径为6mm的阳极棒，阴极采用直径为8mm的纯石墨棒；步骤二将阳极石墨在充有含一氧化碳的缓冲气体的电弧室内与阴极石墨棒正对，进行电弧放电；通过控制阴阳两极间的放电电流和放电电压和一氧化碳压力，即可制得直径可控的单壁碳纳米管。本发明的方法工艺简单、单壁碳纳米管管径可控、便于大规模制备。
文档编号B82B3/00GK101905880SQ20101023432
公开日2010年12月8日 申请日期2010年7月23日 优先权日2010年7月23日
发明者张亚非, 杨志, 苏言杰, 魏浩 申请人:上海交通大学