一种高质量碳纳米珍珠链结构及其大规模制备方法

1.本发明涉及功能性材料技术领域，具体为一种高质量碳纳米珍珠链结构及其大规模制备方法。


背景技术：

2.随着科学技术的不断发展，人类的研究领域从传统材料发展到纳米材料。纳米材料是一种处于纳米量级的新一代材料，指分散相尺度至少有一维在1
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100nm之间的碳材料，是相当于分子尺寸或者原子尺寸的微小单元组成。由于其结构组成的特殊性，纳米材料本身具有相别于同一组成元素材料的特殊力学、热学、电学、磁学性质，如小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应、介电限域效应等，因而引起国内外许多物理学家、化学学家以及材料学家的广泛关注，并在各个科技领域如生物、电子、光学、医药、能源等诸多方面得到充分发展并应用。1991年，一种奇特的碳纳米结构
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碳纳米管首先被日本电子公司饭岛博士发现，由于其优越的物理、化学特性和潜在的应用前景，碳纳米材料成为了世界各国科学家研究的的焦点。碳纳米材料的应用研究主要涉及医疗传感材料(生物传感器等)，能源储存材料(锂电池、超级电容器其它的电化学能量储存等)，能源转化材料(燃料电池等)，环境检测及修复材料(应用于化学及物理传感材料、吸附材料等)。
3.目前，碳纳米材料的主要制备方法有电弧放电法、化学气相沉积(cvd)法、氧化还原法，爆轰合成法，静电纺丝法、固相热解法和脉冲激光烧蚀法等。其中化学气相沉积法，又称催化裂解法，是在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而形成固体物质沉积在基体上进行的操作，具有设备简单，操作容易，能耗低，产物纯度高等优点。化学气相沉积法制备碳纳米管的参数较多，缺陷的多少、石墨化程度等受很多条件影响，例如碳源的选择、流量，催化剂的选择等，难以控制制备出完美的碳纳米管的条件。要制备出完美的碳纳米管比较难，比如反应温度低等原因会导致制备的碳纳米管层数多，石墨化程度较差，存在较多的结晶缺陷，对碳纳米管的力学性能及物理化学性能会有不良的影响，


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种高质量碳纳米珍珠链结构及其大规模制备方法，制备的碳纳米珍珠链结构具备独特的纳米结构和机械性能，具有增强基体的潜力，产生强韧的碳基纳米复合材料，为纳米反应器的研究开辟新的前景。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
6.一种高质量碳纳米珍珠链结构，包括纳米石墨化碳球和非晶态碳纳米纤维，所述纳米石墨化碳球均匀分布在所述非晶态碳纳米纤维上，且通过所述非晶态碳纳米纤维连接，所述纳米石墨化碳球为实心结构，所述纳米石墨化碳球的球体直径为10
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500nm，所述非晶态碳纳米纤维的长度为5
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200nm。
7.本发明还提供一种高质量碳纳米珍珠链结构的大规模制备方法，包括如下步骤：
8.(1)将镀有镍催化剂的硅基底放入石英舟中，并将石英舟放入管式炉内，常压下通
入氢气除去管式炉内空气后，继续通入氢气并将管式炉由室温升温至1080℃，再由1080℃升温至1100℃，所述镍催化剂的厚度为10nm；
9.(2)维持管式炉温度1100℃，调整通入氢气的流量，同时通入35sccm经过碳前驱体的氢气至管式炉内，在石英舟上沉积碳纳米珍珠链结构，恒温生长时间为10min，所述碳前驱体由碳源中加入生长促进剂构成，所述碳源为含碳的有机分子，所述生长促进剂为含硫生长促进剂；
10.(3)停止通入35sccm经过碳前驱体的氢气，在25sccm氢气的气氛中将管式炉冷却至室温。
11.将镀有10nm厚度的二茂镍、铁、钴作为催化剂，都未获得碳纳米珍珠链结构，并且仅在镍的厚度为10nm时制备获得大面积的碳纳米珍珠链结构。
12.优选地，氢气的纯度为99.999％。
13.优选地，步骤(1)管式炉由室温升温至1080℃，升温速率为25
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30℃/min，再由1080℃升温至1100℃，升温速率为8
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10℃/min。
14.优选地，步骤(1)所述通入氢气的流量为80sccm，步骤(2)中所述调整通入氢气的流量为40
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50sccm。
15.优选地，步骤(2)所述碳前驱体中生长促进剂和碳源的体积比为1:5。
16.优选地，步骤(2)所述含碳的有机分子为苯。
17.优选地，步骤(2)所述含硫生长促进剂为噻吩。
18.优选地，步骤(3)管式炉在3
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6h从1100℃冷却至室温。
19.本发明具有以下有益的效果：
20.(1)本发明制备的碳纳米珍珠链结构，包括非晶态碳纳米纤维和纳米石墨化碳球，纳米石墨化碳球均匀分布在非晶态碳纳米纤维上，且通过非晶态碳纳米纤维连接，这种独特的碳纳米珍珠链结构由于相邻两个实心的纳米石墨化碳球间通过非晶态碳纳米纤维连接固定，而不易滑动，这种独特的珍珠链状结构，强度高，抗拉力强，具有良好的力学性能，能增强基体的稳定性，从而产生强韧的碳基纳米复合材料；
21.(2)本发明制备工艺简单，耗能低，产物纯度高可大规模生产；
22.(3)本发明所制备珍珠链状的碳纳米材料具有独特的形貌、易于与基体良好地结合等优点；
23.(4)本发明采用含硫化学物作为生长促进剂，可以提高碳纳米珍珠链结构的形成；
24.(5)本发明采用调节各种实验参数如生长时间、碳源气体的流量，能控制碳纳米珍珠链结构的纳米石墨化碳球和非晶态碳纳米纤维的尺寸大小，控制其形貌；
25.(6)本发明得到的碳纳米珍珠链结构可以直接用来进行物理特性检测，并运用到各种应用产品中。
附图说明
26.图1为本发明制备碳纳米珍珠链结构的实验装置结构示意图。
27.图2为本发明实施例2制备的碳纳米珍珠链结构的扫描电镜图(10μm)。
28.图3为本发明实施例2的碳纳米珍珠链结构的扫描电镜图(1μm)。
29.图4为本发明实施例2的碳纳米珍珠链结构的透射电镜图(100nm)。
30.图5为本发明实施例2制备的碳纳米珍珠链结构的透射电镜图(50nm)。
31.图6为本发明实施例2制备的碳纳米珍珠链结构的拉曼光谱图。
具体实施方式
32.为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种高质量碳纳米珍珠链结构及其大规模制备方法进行说明。
33.下面实施例中所述方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述材料实际，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
34.实施例1：
35.如图2所示的碳纳米珍珠链结构，包括纳米石墨化碳球和非晶态碳纳米纤维，纳米石墨化碳球均匀分布在非晶态碳纳米纤维上，且通过非晶态碳纳米纤维连接，纳米石墨化碳球为实心结构，纳米石墨化碳球的球体直径为10
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500nm，非晶态碳纳米纤维的长度为5
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200nm。
36.实施例2：
37.大规模制备高质量碳纳米珍珠链结构，实验装置如图1所示：
38.(1)配置20ml噻吩和100ml苯的混合溶液作为碳前驱体。
39.(2)裁取长度5cm，宽度3cm的镀有镍(厚度10nm)催化剂的硅基底，并用洗耳球吹5次，去除表面杂质后，放入石英舟中间位置并将石英舟放入管式炉内，常压下通入80sccm氢气除去管式炉内空气后，继续通入80sccm氢气并将管式炉由室温升温至1080℃，升温速率10℃/min，再由1080℃升温至1100℃，升温速率30℃/min。
40.(3)维持管式炉温度1100℃，调整通入氢气的流量至50sccm，同时通入35sccm经过碳前驱体的氢气至管式炉内，即在石英舟上沉积碳纳米珍珠链结构，恒温生长10min。
41.(4)停止通入35sccm经过碳前驱体的氢气，在25sccm氢气的气氛中2小时内将管式炉冷却至室温，最终得到大规模碳纳米珍珠链结构。
42.实施例3：
43.(1)配置20ml噻吩和100ml苯的混合溶液作为碳前驱体。
44.(2)裁取长度5cm，宽度3cm的镀有钴(厚度10nm)催化剂的硅基底，并用洗耳球吹5次，去除表面杂质后，放入石英舟中间位置并将石英舟放入管式炉内，常压下通入80sccm氢气除去管式炉内空气后，继续通入80sccm氢气并将管式炉由室温升温至1080℃，升温速率10℃/min，再由1080℃升温至1100℃，升温速率30℃/min。
45.(3)维持管式炉温度1100℃，调整通入氢气的流量至50sccm，同时通入35sccm经过碳前驱体的氢气至管式炉内，即在石英舟上沉积碳纳米珍珠链结构，恒温生长10min。
46.(4)停止通入35sccm经过碳前驱体的氢气，在25sccm氢气的气氛中2小时内将管式炉冷却至室温，最终得到未能形成珍珠链结构的碳纳米材料。
47.本发明实施例2制备的碳纳米珍珠链结构的扫描电镜图，如图2和图3所示，可以看出，该结构由碳纳米纤维和纳米石墨化碳球组成。
48.本发明实施例2制备的碳纳米珍珠链结构的透射电镜图，如图4和图5所示；从图4可以看出，碳纳米纤维穿过纳米石墨化碳球，形成一种类似珍珠链的形貌；从图5可以看出，碳纳米纤维具有非晶形的内部结构，纳米石墨化碳球的表面由波浪状的石墨碳层组成，与
非晶态碳纳米纤维的边界不同。
49.本发明实施例2制备的碳纳米珍珠链结构的拉曼光谱图，如图6所示，进一步证明该结构的无序特征。
50.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。