专利名称：铜基体上直接生长网状碳纳米管的方法
技术领域：
本发明涉及一种铜基体上直接生长网状碳纳米管的方法，属于碳纳米材料的制备技术。
背景技术：
碳纳米管(carbon nanotubes,CNTs)自1991年被发现以来，以其独一无二且具发展潜力的结构特性、电学特性和机械特性而备受瞩目。碳纳米管的强度约比钢高100多倍， 而比重却只有钢的1/6 ；同时碳纳米管还有极高的韧性，十分柔软，因此它被认为是未来的 “超级纤维”，是复合材料中极好的加强材料。目前，制备碳纳米管的方法主要有电弧放电法(arc discharge)，激光蒸发法 (laser ablation)和化学气相沉积法(chemical vapor deposition, CVD)等。相比前两种方法，化学气相沉积法由于具有成本低、工艺简单可控等优点，被认为最有工业应用前景的方法之一，同时也是生长特殊排列CNTs的首选工艺。采用CVD法生长CNTs通常是首先在绝缘或半导体基体(如氧化铝，Si，SiO2等)上沉积一层金属催化剂粒子，然后在一定条件下分解碳源生长CNTs，或者采用金属作为基体，在导电基体与催化剂之间添加Al2O3等中间薄层阻断催化剂与金属基体的扩散来生长CNFs。然而，对于许多应用，如显示器、电池电极、 芯片互联和电子封装等，要求材料具有很高的导电和导热性能，这就需要CNTs与导电基体 (金属等)进行连接。而且，降低金属基体与CNTs之间的接触电阻也是纳米电子器件设计面临的主要挑战之一。为连接CNTs和金属基体，降低接触电阻，一个最明显有效的方法就是在金属基体上直接生长CNTs。在金属基体上直接生长CNTs，由于金属基体不同于陶瓷等不导电基体， 大部分金属的活性较高，在高温下与催化剂容易发生反应，从而影响其活性，制约CNTs的生长，因此控制催化剂与基体的反应，保持催化剂活性是在金属基体上制备CNTs的关键。 虽然，Parthangal等在Ag、W、Cu等多种金属和合金基底上直接生长出了 CNTs，但所采用的复合催化剂中必须含有一定量的Al2O3，Al2O3对Fe与基体的阻断作用是生长CNTs的必要条件。如何控制金属基底与催化剂的反应，在高导电金属基体上可控生长出CNTs仍然是目前面临的主要挑战。
发明内容
本发明目的在于提供一种铜基体上直接生长网状碳纳米管的方法，该方法具有过程简单，制备的碳纳米管具有质量好和纯度高等优点。本发明是通过以下技术方案实现的，一种铜基体上直接生长网状碳纳米管的方法，其特征在于包括以下过程1)将铜基体进行抛光后，分别用去离子水、丙酮和乙醇超声清洗，然后在温度 25-30°C下干燥，并进行氩气等离子处理0. 5-10min ；2)将硝酸钴加入去离子水中，配制0. 005-0. 05mol/L硝酸钴水溶液；
3)将步骤1)处理的铜基体置入步骤2)的溶液中，浸渍20-40秒，经真空干燥箱中在80-100°C下干燥1-4小时，将其放入石英舟中，在石英反应管的恒温区，在氩气保护下以升温速率10°C /min升至温度200-40(TC，恒温煅烧1_4小时，得到了负载有催化剂的铜基体；4)将步骤3)所制得的负载有催化剂的铜基体铺展在石英舟中，将石英舟置于石英反应管恒温区，在氩气保护下，以升温速率10°c /min石英反应管升至温度700°C -850°C 后，以流速为250-300mL/min向石英反应管通入氩气、氢气和乙炔气的混合气进行催化裂解反应0. 2h-lh，其中，氩气、氢气和乙炔气的体积比为(150-300) (10-100) (10-100)，然后在氩气氛围下将炉温降至室温，得到铜基体上生长网状碳纳米管。本 发明具有以下优点采用电子工业中常用的Cu材为基体，通过控制基体的预处理方式、催化剂的掺杂及生长工艺等，在不添加任何扩散阻断层的情况下直接在铜基体上生长出了质量好和纯度高的网状碳纳米管，而且制备过程和设备简单，易于实现和推广。
图1为采用本发明方法实施例一以Co作为催化剂制得的网状碳纳米管的SEM照片
具体实施例方式实施例一将抛光的直径12mm，厚度3mm铜片分别在蒸馏水、丙酮和无水乙醇中超声清洗20 分钟，然后将清洗干燥的铜片进行两分钟氩气等离子处理，称取0. 192g六水硝酸钴，溶入 IOOmL去离子水中，配制成0. 005mol/L的溶液，再将铜片在此溶液中浸渍20秒，然后置于真空干燥箱中100°c下真空干燥一个小时，在铜片上得到了催化剂的前驱体；将负载有催化剂前驱体的铜片置于直径60mm石英管反应炉的中部恒温区域，通入氩气保护，以10°C /min 使温度升高到300°C，在此温度下保持两个小时，使铜片表面的硝酸盐煅烧完全，以10°C / min再将温度升高到800°C，然后通入乙炔、氩气和氢气的混合气体，三种气体的流量分别问40mL/min、150mL/min、60mL/min，在800°C下生长30min，在铜片上生长得到网状碳纳米管。实施例二将抛光的直径12mm，厚度3mm铜片分别在蒸馏水、丙酮和无水乙醇中超声清洗20 分钟，然后将清洗干燥的铜片进行一分钟氩气等离子处理，称取0. 192g六水硝酸钴，溶入 50mL去离子水中，配制成0. 01mol/L的溶液，再将铜片在此溶液中浸渍20秒，然后置于真空干燥箱中100°C下真空干燥一个小时，在铜片上得到了催化剂的前驱体；将负载有催化剂前驱体的铜片置于直径60mm石英管反应炉的中部恒温区域，通入氩气保护，以10°C /min 使温度升高到400°C，在此温度下保持一个小时，使铜片表面的硝酸盐煅烧完全，以10°C / min再将温度升高到750°C，然后通入乙炔、氩气和氢气的混合气体，三种气体的流量分别问20mL/min、150mL/min、80mL/min，在750°C下生长40min，在铜片上生长得到网状碳纳米管。实施例三
将抛光的直径12mm，厚度3mm铜片分别在蒸馏水、丙酮和无水乙醇中超声清洗20 分钟，然后将清洗干燥的铜片进行两分钟氩气等离子处理，称取0. 383g六水硝酸钴，溶入 50mL去离子水中，配制成0. 02mol/L的溶液，再将铜片在此溶液中浸渍20秒，然后置于真空干燥箱中80°C下真空干燥一个小时，在铜片上得到了催化剂的前驱体；将负载有催化剂前驱体的铜片置于直径60mm石英管反应炉的中部恒温区域，通入氩气保护，以10°C /min 使温度升高到350°C，在此温度下保持两个小时，使铜片表面的硝酸盐煅烧完全，以10°C / min再将温度升高到850°C，然后通入乙炔、氩气和氢气的混合气体，三种气体的流量分别问30mL/min、200mL/min、50mL/min，在850°C下生长30min，在铜片上生长得到网状碳纳米管。
实施例四将抛光的直径12mm，厚度3mm铜片分别在蒸馏水、丙酮和无水乙醇中超声清洗20 分钟，然后将清洗干燥的铜片进行一分钟氩气等离子处理，称取0. 96g六水硝酸钴，溶入 50mL去离子水中，配制成0. 05mol/L的溶液，再将铜片在此溶液中浸渍20秒，然后置于真空干燥箱中100°C下真空干燥一个小时，在铜片上得到了催化剂的前驱体；将负载有催化剂前驱体的铜片置于直径60mm石英管反应炉的中部恒温区域，通入氩气保护，以10°C /min 使温度升高到250°C，在此温度下保持三个小时，使铜片表面的硝酸盐煅烧完全，以10°C / min再将温度升高到800°C，然后通入乙炔、氩气和氢气的混合气体，三种气体的流量分别问50mL/min、150mL/min、50mL/min，在800°C下生长20min，在铜片上生长得到网状碳纳米管。实施例五将抛光的直径12mm，厚度3mm铜片分别在蒸馏水、丙酮和无水乙醇中超声清洗20 分钟，然后将清洗干燥的铜片进行一分钟氩气等离子处理，称取0. 192g六水硝酸钴，溶入 50mL去离子水中，配制成0. 01mol/L的溶液，再将铜片在此溶液中浸渍20秒，然后置于真空干燥箱中80°C下真空干燥两个小时，在铜片上得到了催化剂的前驱体；将负载有催化剂前驱体的铜片置于直径60mm石英管反应炉的中部恒温区域，通入氩气保护，以10°C /min 使温度升高到300°C，在此温度下保持两个小时，使铜片表面的硝酸盐煅烧完全，以10°C / min再将温度升高到700°C，然后通入乙炔、氩气和氢气的混合气体，三种气体的流量分别问30mL/min、160mL/min、80mL/min，在700°C下生长40min，在铜片上生长得到网状碳纳米管。
权利要求
1. 一种铜基体上直接生长网状碳纳米管的方法，其特征在于包括以下过程1)将铜基体进行抛光后，分别用去离子水、丙酮和乙醇超声清洗，然后在温度25-30°C 下干燥，并进行氩气等离子处理0. 5-10min ；2)将硝酸钴加入去离子水中，配制0.005-0. 05mol/L硝酸钴水溶液；3)将步骤1)处理的铜基体置入步骤2)的溶液中，浸渍20-40秒，经真空干燥箱中在 80-100°C下干燥1-4小时，将其放入石英舟中，在石英反应管的恒温区，在氩气保护下以升温速率10°C /min升至温度200-400°C，恒温煅烧1_4小时，得到了负载有催化剂的铜基体；4)将步骤3)所制得的负载有催化剂的铜基体铺展在石英舟中，将石英舟置于石英反应管恒温区，在氩气保护下，以升温速率10°C /min石英反应管升至温度700°C -850°C后， 以流速为250-300mL/min向石英反应管通入氩气、氢气和乙炔气的混合气进行催化裂解反应0.2h-lh，其中，氩气、氢气和乙炔气的体积比为(150-300) (10-100) (10-100)，然后在氩气氛围下将炉温降至室温，得到铜基体上生长网状碳纳米管。
全文摘要
本发明公开了一种铜基体上直接生长网状碳纳米管的方法，属于碳纳米材料的制备技术。该方法过程包括对铜基体进行氩气等离子体预处理，配制Co催化剂溶液，将铜基体在Co催化剂溶液中浸渍、真空干燥，然后将铜基体置于反应炉中通入乙炔、氩气和氢气的混合气体，进行催化裂解反应，在铜基体表面得到一层网状碳纳米管。本发明的优点在于，所制备的网状碳纳米管是在直接在铜片上生长，不需要添加任何阻断层，而且所生成的碳纳米管纯度高，制备工艺简单。
文档编号B82Y40/00GK102320591SQ20111016833
公开日2012年1月18日 申请日期2011年6月22日 优先权日2011年6月22日
发明者刘恩佐, 师春生, 康建立, 张虎, 李家俊, 赵乃勤 申请人:天津大学