專利名稱：一種采用石油醚為原料制備碳納米管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備碳納米管的方法，特別涉及一種以石油醚為原料制備碳納米管的方法。
背景技術(shù)：
1985年，Smalley發(fā)現(xiàn)了富勒烯C6tl，獨特的結(jié)構(gòu)QO個正六邊形和12個正五邊形組成球形結(jié)構(gòu))使其成為了繼金剛石和石墨之后的又一種碳的同素異形體。而1991年 IIijima對碳納米管的發(fā)現(xiàn)使我們對碳材料的認識和研究進入了一個全新的階段。碳納米管是一種形貌獨特，電子和機械性能良好的納米材料。一般情況下，根據(jù)管的層數(shù)可以將其分為單壁和多壁碳納米管。在單壁碳納米管中，根據(jù)碳原子的排布導(dǎo)致電子學(xué)性能的變化，又可以將其分為半導(dǎo)體和導(dǎo)體碳納米管兩種；而多壁碳納米管的電子學(xué)性能，由于層與層之間的差異使其整體的電子學(xué)性能更加復(fù)雜。另外，碳納米管還有良好的機械性能通常情況下，單壁碳納米管的機械強度約為IIPa ；而多壁碳納米管的機械強度在X 10 范圍內(nèi)。因此，碳納米管的應(yīng)用比較廣泛，包括納米半導(dǎo)體電子器件、探針，場發(fā)射顯示器，高強度導(dǎo)電復(fù)合材料和儲氫材料等等。目前碳納米管的制備方法主要分為三種電弧放電法，激光蒸發(fā)法和化學(xué)氣相沉積法。其中，化學(xué)氣相沉積法是一種應(yīng)用廣泛的制備方法。通常情況下，這種方法是以氣體為原料，比如甲烷、乙炔，在一定的氣壓、高溫、催化劑催化的條件下合成碳納米管的。但是由于高純氣體種類單一，價格較高，使得碳納米管的制備受到了一定的限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是在于提供一種以石油醚為原料制備碳納米管的方法。石油醚是一種液體有機混合物，主要由烴類物質(zhì)組成，屬于輕質(zhì)石油產(chǎn)品。通常情況下，根據(jù)沸程的不同(30-60°C，60-9(TC，90-12(rC )分為不同等級的產(chǎn)品。沸程在 30-60°C的產(chǎn)品主要是由戊烷，己烷組成。這種產(chǎn)品價格便宜，容易揮發(fā)，汽化后可以像氣體一樣使用，是一種較好的制備碳納米管的替代原料。特別值得關(guān)注的是，石油醚作為一種液體原料有利于存放，適合不同環(huán)境、規(guī)模的制備，也有利于加入含其它元素的液體有機物 (比如，含氮或硅元素)對碳納米管進行摻雜。本發(fā)明首先采用電子束蒸鍍的方法在硅基底上制備鐵催化膜，然后采用化學(xué)氣相沉積法制備碳納米管。一種采用石油醚為原料制備碳納米管的方法，其特征在于該方法依次通過下列步驟來實現(xiàn)A采用電子束蒸鍍的方法在硅基底上制備鐵催化膜將經(jīng)過丙酮超聲清洗的硅片和鐵靶放入電子束鍍膜機的真空腔內(nèi)，抽真空，當氣壓10_4Pa時開啟電子束電源，蒸鍍20-40nm的鐵膜；B采用化學(xué)氣相沉積法在步驟(1)得到的硅片上制備碳納米管
將鍍過鐵膜的硅片放入管式化學(xué)氣相沉積設(shè)備的腔體中，抽真空，當氣壓達到10_2Pa時，通入氬氣并將腔體溫度升高到600-1000°C并保持穩(wěn)定；然后將石油醚以 10-100 μ 1/min的速度加入60°C的汽化裝置中，汽化后隨氬氣通入腔內(nèi)，反應(yīng)5-lOmin后停止，在氬氣的保護下冷卻到室溫得到碳納米管。本發(fā)明采用的石油醚的沸點為30-60°C。本發(fā)明以鐵作為催化劑的，它只需要加熱到600-1000°C就可以將石油醚催化石墨化從而形成碳納米管，不需要其它條件的輔助，比如磁場(鎳等元素作為催化劑時)。本發(fā)明以廉價的石油產(chǎn)品石油醚為原料，通過化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備出了碳納米管。我們使用了液體原料，可以減少氣體質(zhì)量流量計的使用，直接通過液體的加入量來控制反應(yīng)所需的原料的多少。雖然液體石油醚作為原料需要汽化(60°C)，但是這種原料相對與苯、甲苯等有機物作為原料需要的汽化溫度低(> 120°C)，而且對人體的毒性較小。這種液體原料相對于其它氣體、液體原料來說所需的反應(yīng)溫度幾乎沒有什么差別。特別值得注意的是石油醚是一種有機溶劑，可以用來溶解有機物，因此這種液體原料相對于氣體來說便于碳納米管的參雜，從而得到含有其它元素(比如含C13、氮、硅等元素)碳納米管，或者各種不同成分的異質(zhì)接。此外，這種方法成本較低，工藝簡單，得到的碳納米管取向生長，也可以廣泛地應(yīng)用于電子器件、場發(fā)射器、儲氫以及高強度導(dǎo)電復(fù)合材料中。


圖1本發(fā)明所制備的取向生長碳納米管的掃描電子顯微鏡照片。圖2本發(fā)明所制備的管徑均勻的碳納米管的透射電子顯微鏡照片。
具體實施例方式為了更好的理解本發(fā)明，通過以下實施例進行說明。實施例1 將丙酮超聲清洗過的硅片和鐵靶放入電子束鍍膜機的真空腔內(nèi)，抽真空，當氣壓 IO^4Pa時開啟電子束電源，蒸鍍20-40nm的鐵膜。將鍍過鐵膜的硅片放入管式化學(xué)氣相沉積設(shè)備的腔體中，抽真空，當氣壓達到KT2Pa時，通入氬氣并將腔體溫度升高到800°C并保持穩(wěn)定；然后將石油醚(沸點 30-600C )以30μ 1/min的速度加入60°C的汽化裝置中，汽化后隨氬氣通入腔內(nèi)，反應(yīng) 5-lOmin后停止，在氬氣的保護下冷卻到室溫得到碳納米管。圖1所示的掃描電子顯微鏡結(jié)果表明，碳納米管在生長中雖然發(fā)生了卷曲和纏繞，但是整體上是取向生長的。如果不考慮卷曲，其生長速度大約在5. 4 μ m/min。圖2所示，透射電子顯微鏡的結(jié)果表明碳納米管管徑均一，約為10-30nm。
權(quán)利要求
1.一種采用石油醚為原料制備碳納米管的方法，其特征在于該方法依次通過下列步驟來實現(xiàn)A采用電子束蒸鍍的方法在硅基底上制備鐵催化膜將丙酮超聲清洗過的硅片和鐵靶放入電子束鍍膜機的真空腔內(nèi)，抽真空，當氣壓10_4Pa 時開啟電子束電源，蒸鍍20-40nm的鐵膜；B采用化學(xué)氣相沉積法在步驟(1)得到的硅片上制備碳納米管將鍍過鐵膜的硅片放入管式化學(xué)氣相沉積設(shè)備的腔體中，抽真空，當氣壓達到10’a 時，通入氬氣并將腔體溫度升高到600-1000°C并保持穩(wěn)定；然后將石油醚以10-100μ 1/ min的速度加入60°C的汽化裝置中，汽化后隨氬氣通入腔內(nèi)，反應(yīng)5-lOmin后停止，在氬氣的保護下冷卻到室溫得到碳納米管。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于石油醚的沸點為30-60°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用石油醚為原料制備碳納米管的方法。該方法首先采用電子束蒸鍍的方法在硅基底上制備鐵催化膜，然后采用化學(xué)氣相沉積法制備碳納米管。本發(fā)明成本較低，工藝簡單，得到的碳納米管取向生長，也可以廣泛地應(yīng)用于電子器件、場發(fā)射器、儲氫以及高強度導(dǎo)電復(fù)合材料中。
文檔編號C01B31/02GK102249211SQ20101017679
公開日2011年11月23日 申請日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月18日
發(fā)明者張俊彥, 王富國 申請人:中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所