专利名称：有序碳纳米管阵列的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种碳纳米管的制备方法，特别是有序碳纳米管阵列的制备方法。
背景技术：
碳纳米管已应用于场效应晶体管、量子线、储氢材料、电容器电极材料、平板显示场发射等诸多领域的研究工作中。
文献“J.Li，C.Papadopoulos，J.M.Xua，M.Moskovits.Appl Phys Lett，1999，75367-369”公开了一种利用化学气相沉积法在阳极氧化铝模板孔道内制备碳纳米管的方法。首先在阳极氧化铝模板孔道内部沉积Fe、Co、Ni等催化剂，再将沉积有催化剂的阳极氧化铝模板置于化学气相沉积设备之中，然后通入乙炔等碳氢化合物气体作为碳源，使其在惰性气氛下高温热解，进而在阳极氧化铝模板的孔道内部生长碳纳米管。这种方法需要预先在模板孔道内部沉积催化剂，而且在碳纳米管的沉积过程结束后需要对催化剂进行处理，整个制备过程涉及工艺参数较多，控制复杂，存在有序碳纳米管阵列制备成本高、控制困难等缺点。
文献“J.C.Hulteen，H.X.Chen，C.K.Chambliss and C.R.Martin.NanostructuredMaterials，1997，9133-136”公开了一种利用模板法制备有序碳纳米管阵列的方法。该方法利用丙烯腈单体，首先在阳极氧化铝模板孔道内聚合、环化，再进行高温处理，制备有序碳纳米管。该方法较化学气相沉积方法简化，但是在高温处理之前，所涉及的聚合物单体聚合和环化过程较为复杂。
文献“T.Maiyalagan，B，Viswanathan，Materials Chemistry and Physics，2005，93291-295”利用阳极氧化铝模板浸渍聚乙烯吡咯烷酮的二氯甲烷溶液，然后在900℃条件下处理，制备了含氮的有序碳纳米管。然而，该方法中使用的有机溶剂二氯甲烷毒性较大、可燃、与明火或灼热的物体接触会产生剧毒的光气，而且沸点较低易挥发。这些都严重威胁工作人员身体健康和制备过程的安全，并且增加制备过程的操作难度。
发明内容
为了克服现有技术工艺过程复杂、制备成本高的不足，本发明提供一种有序碳纳米管阵列的制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种有序碳纳米管阵列的制备方法，包括下述步骤1)将两端开孔的阳极氧化铝模板置于无毒的含碳聚合物溶液中浸渍，直到阳极氧化铝模板被含碳聚合物溶液充分浸润；2)依次用含碳聚合物溶液所用溶剂、蒸馏水，将经过步骤1)充分浸润的阳极氧化铝模板表面残余的含碳聚合物溶液清洗干净，然后在烘箱中烘干；3)将烘干后的阳极氧化铝模板放置在高温炉中，随后用真空泵对高温炉抽真空，真空度达到-0.09MPa并稳定后，再通入氩气至高温炉炉膛压力0.1MPa，以置换出高温炉炉膛内的空气；4)接通电源，以2～4℃/min的升温速度将高温炉温度升至500℃～1000℃，并且在该温度下保温1～5h，随后关闭电源，自然降温到室温，整个过程通氩气保护，炉膛内压力保持为0.1MPa；5)用浓度大于40％的氢氟酸水溶液充分溶解阳极氧化铝模板后，将得到的有序碳纳米管阵列用蒸馏水反复清洗，直到清洗后蒸馏水的PH值接近7为止。
本发明的有益效果是由于采用无毒的浸渍工艺将含碳聚合物引入到模板孔道中，然后在惰性气氛条件下高温热解，在模板孔道内部制备出有序碳纳米管，因而可以安全、高效地制备出高质量有序碳纳米管阵列。本发明工艺过程不需要预先沉积催化剂，也不需要将聚合物单体在模板孔道内部预先聚合，而且采用无毒溶剂，工艺过程易于控制，可重复性好，对制备设备要求较低，因而制备成本低；本发明还可以通过调整阳极氧化铝模板的孔道结构和含碳聚合物溶液浸渍过程的工艺参数，达到对制备的有序碳纳米管的直径、长度、密度、形貌、壁厚等参数的控制。
图1是本发明有序碳纳米管阵列的制备方法流程图。
图2是本发明所制备的有序碳纳米管阵列扫描电镜照片。
图3是本发明所制备的碳纳米管的透射电镜照片。
图4是本发明所制备的碳纳米管的管壁透射电镜照片。
图5是本发明所制备的有序碳纳米管的能谱分析图。
具体实施例方式
实施例1参照图1，将两端开孔的阳极氧化铝模板置于浓度为25％酚醛乙醇溶液中，在室温下充分浸渍30min。取出后依次用乙醇、蒸馏水将阳极氧化铝模板表面残余的酚醛乙醇溶液擦拭干净。然后将阳极氧化铝模板放在烘箱中110℃烘干4h。
将烘干后的阳极氧化铝模板放置在高温炉恒温区部分。随后用真空泵将高温炉炉膛内部抽真空，使真空度达到-0.09MPa，然后充氩气至炉膛内压力0.1MPa，此过程总共重复3次，以置换出高温炉炉膛内的空气。
接通电源，以2℃/min的升温速度将高温炉温度升至500℃，并在500℃下保温5h，随后关闭电源，高温炉自然降温到室温。整个过程通氩气保护，炉膛内压力始终保持为0.1MPa。从炉膛中取出阳极氧化铝模板，可以看到高温处理后的阳极氧化铝模板颜色呈现为黑色。
用浓度大于40％的氢氟酸，室温下溶解高温处理后的阳极氧化铝模板18h。模板充分溶解后，在模板孔道内制备的有序碳纳米管阵列，直观表现为黑色薄膜。用蒸馏水反复清洗有序碳纳米管阵列，直到清洗后蒸馏水的PH值接近7为止。
实施例2参照图1，将两端开孔的阳极氧化铝模板置于浓度为30％环氧丙酮溶液中，在室温下充分浸渍30min。取出后依次用丙酮、蒸馏水将阳极氧化铝模板表面残余的环氧丙酮溶液擦拭干净。然后将阳极氧化铝模板放在烘箱中110℃烘干4h。
将烘干后的阳极氧化铝模板放置在高温炉恒温区部分。随后用真空泵将高温炉炉膛内部抽真空，使真空度达到-0.09MPa，然后充氩气至炉膛内压力0.1MPa，此过程总共重复3次，以置换出高温炉炉膛内的空气。
接通电源，以3℃/min的升温速度将高温炉温度升至700℃，并在700℃下保温4h，随后关闭电源，高温炉自然降温到室温。整个过程通氩气保护，炉膛内压力始终保持为0.1MPa。从炉膛中取出阳极氧化铝模板，可以看到高温处理后的阳极氧化铝模板颜色呈现为黑色。
用浓度大于40％的氢氟酸，室温下溶解高温处理后的阳极氧化铝模板18h。模板充分溶解后，在模板孔道内制备的有序碳纳米管阵列，直观表现为黑色薄膜。用蒸馏水反复清洗有序碳纳米管阵列，直到清洗后蒸馏水的PH值接近7为止。
实施例3参照图1，将两端开孔的阳极氧化铝模板置于浓度为25％聚乙二醇乙醇溶液中，在室温下充分浸渍30min。取出后依次用乙醇、蒸馏水将阳极氧化铝模板表面残余的聚乙二醇乙醇溶液擦拭干净。然后将阳极氧化铝模板放在烘箱中110℃烘干4h。
将烘干后的阳极氧化铝模板放置在高温炉恒温区部分。随后用真空泵将高温炉炉膛内部抽真空，使真空度达到-0.09MPa，然后充氩气至炉膛内压力0.1MPa，此过程总共重复3次，以置换出高温炉炉膛内的空气。
接通电源，以3℃/min的升温速度将高温炉温度升至900℃，并在900℃下保温3h，随后关闭电源，高温炉自然降温到室温。整个过程通氩气保护，炉膛内压力始终保持为0.1MPa。从炉膛中取出阳极氧化铝模板，可以看到高温处理后的阳极氧化铝模板颜色呈现为黑色。
用浓度大于40％的氢氟酸，室温下溶解高温处理后的阳极氧化铝模板18h。模板充分溶解后，在模板孔道内制备的有序碳纳米管阵列，直观表现为黑色薄膜。用蒸馏水反复清洗有序碳纳米管阵列，直到清洗后蒸馏水的PH值接近7为止。
实施例4参照图1，将两端开孔的阳极氧化铝模板置于浓度为20％聚乙烯醇缩丁醛乙醇溶液中，在室温下充分浸渍30min。取出后依次用乙醇、蒸馏水将阳极氧化铝模板表面残余的聚乙烯醇缩丁醛乙醇溶液擦拭干净。然后将阳极氧化铝模板放在烘箱中110℃烘干4h。
将烘干后的阳极氧化铝模板放置在高温炉恒温区部分。随后用真空泵将高温炉炉膛内部抽真空，使真空度达到-0.09MPa，然后充氩气至炉膛内压力0.1MPa，此过程总共重复3次，以置换出高温炉炉膛内的空气。
接通电源，以4℃/min的升温速度将高温炉温度升至1000℃，并在1000℃下保温1h，随后关闭电源，高温炉自然降温到室温。整个过程通氩气保护，炉膛内压力始终保持为0.1MPa。从炉膛中取出阳极氧化铝模板，可以看到高温处理后的阳极氧化铝模板颜色呈现为黑色。
用浓度大于40％的氢氟酸，室温下溶解高温处理后的阳极氧化铝模板18h。模板充分溶解后，在模板孔道内制备的有序碳纳米管阵列，直观表现为黑色薄膜。用蒸馏水反复清洗有序碳纳米管阵列，直到清洗后蒸馏水的PH值接近7为止。
以上实施例表明，本发明有序碳纳米管阵列的制备方法以含碳聚合物为碳源，阳极氧化铝为模板，首先通过无毒的浸渍工艺将含碳聚合物引入到模板孔道中，然后在惰性气氛条件下高温热解，在模板孔道内部制备出有序碳纳米管。
本发明有序碳纳米管阵列的制备方法的碳源是含碳聚合物，包括未在上述实施例中所列举的所有含碳聚合物。
从图2的扫描电镜照片可以看出本发明所制备的有序碳纳米管直径50～70nm，端部开口，表面光滑，相互之间平行有序排列，为有序碳纳米管阵列结构。
从图3的透射电镜照片可以看到本发明所制备的碳纳米管的管状结构。
从图4的透射电镜照片可以看到本发明所制备的碳纳米管的管壁结构。
图5的能谱分析结果表明本发明所制备的有序碳纳米管碳含量很高，几乎没有其它杂质出现。
权利要求
1.一种有序碳纳米管阵列的制备方法，包括下述步骤1)将两端开孔的阳极氧化铝模板置于无毒的含碳聚合物溶液中浸渍，直到阳极氧化铝模板被含碳聚合物溶液充分浸润；2)依次用含碳聚合物溶液所用溶剂、蒸馏水，将经过步骤1)充分浸润的阳极氧化铝模板表面残余的含碳聚合物溶液清洗干净，然后在烘箱中烘干；3)将烘干后的阳极氧化铝模板放置在高温炉中，随后用真空泵对高温炉抽真空，真空度达到-0.09MPa并稳定后，再通入氩气至高温炉炉膛压力0.1MPa，以置换出高温炉炉膛内的空气；4)接通电源，以2～4℃/min的升温速度将高温炉温度升至500℃～1000℃，并且在该温度下保温1～5h，随后关闭电源，自然降温到室温，整个过程通氩气保护，炉膛内压力保持为0.1MPa；5)用浓度大于40％的氢氟酸水溶液充分溶解阳极氧化铝模板后，将得到的有序碳纳米管阵列用蒸馏水反复清洗，直到清洗后蒸馏水的PH值接近7为止。
全文摘要
本发明公开了一种有序碳纳米管阵列的制备方法，针对现有技术工艺过程复杂、制备成本高等问题，以含碳聚合物为碳源，阳极氧化铝为模板，首先通过无毒的浸渍工艺将含碳聚合物引入到模板孔道中，然后在惰性气氛条件下高温热解，在模板孔道内部制备出有序碳纳米管。由于采用了含碳聚合物在阳极氧化铝模板孔道内部高温热解工艺，可以安全、高效地制备出高质量有序碳纳米管阵列。本发明工艺过程不需要预先沉积催化剂，也不需要将聚合物单体在模板孔道内部预先聚合，而且含碳聚合物溶液采用无毒溶剂，工艺过程易于控制，可重复性好，对制备设备要求较低，因而制备成本低。
文档编号B82B3/00GK1837036SQ20061004268
公开日2006年9月27日 申请日期2006年4月17日 优先权日2006年4月17日
发明者李克智, 魏剑, 李贺军, 胡志彪, 付前刚 申请人:西北工业大学