[发明专利]碳纳米管及其制备方法、碳纳米管元件

说明书

技术领域

本发明涉及碳纳米管(CNT)及其制备方法以及含有该碳纳米管的碳纳米管元件，更具体地，本发明涉及通过电弧放电法制备碳纳米管的方法。与常规方法相比，本发明得到的碳纳米管纯度更高，直径分布更窄。

背景技术

碳纳米管(CNT)作为一维碳纳米材料，具有许多优异的电学、力学和化学特性，因此日益受到人们的关注。随着对纳米材料研究的不断深入，碳纳米管的广阔应用前景也正不断的涌现，例如用于场发射电子源、纳米场效应晶体管、储氢材料以及高强度纤维等。

碳纳米管根据形成管壁的碳原子的层数可以分为单壁碳纳米管(SWNT)和多壁碳纳米管(MWNT)，多壁碳纳米管也可以理解为由不同直径单壁碳纳米管套装而成。在实际的研究和应用中，单壁碳纳米管、层数较少的多壁碳纳米管由于在电性能、热性能、机械以及化学性能等方面所拥有的独特性能而具有重要的地位。

常用的制备碳纳米管的方法包括电弧放电法、化学气相沉积法(CVD)以及激光蒸发法等。迄今为止，电弧放电法是大规模生产高质量碳纳米管的最有效方法之一。针对该方法已经作出了许多尝试，例如通过优化诸如催化剂(或者助催化剂)、惰性气体种类和压力、电流或电压以及温度等参数，来改善碳纳米管的纯度以及产率，并控制其直径分布。例如，B.P.Tarasov等通过使用Y-Ni合金作为催化剂，合成了纯度非常高的碳纳米结构(B.P.Tarasov，et al，Synthesis of carbon nanostructure by arc evaporation of graphiterods with Co-Ni and YNi catalysts，Carbon 41，2003，1357-1364)。H.Li等通过将一些FeS加入到Y-Ni合金催化剂中作为助催化剂，获得了更高纯度的单壁碳纳米管(SWNT)(H.Li，et al，Direct Synthesis of High PuritySingle-Walled Carbon Nanotube Fibers by Arc Discharge，J.Phys.Chem.B 108，2004，4573-4575)。

目前，仍然存在有对于制备纯度高和直径分布窄的碳纳米管的方法的需求。

发明内容

本发明的方法能够高效地制备出纯度高并且直径分布窄的碳纳米管。

本发明的第一方面提供了一种制备碳纳米管的方法，其包括在催化剂和助催化剂存在下，通过电弧放电法由碳源生产碳纳米管，其中，所述助催化剂包括能降低在催化剂上碳纳米管生长位点的表面能的元素单质。

根据本发明第一方面的一种实施方案，该助催化剂包括硒、碲或锗。更优选地，该助催化剂为硒。

根据本发明第一方面的另一实施方案，催化剂选自镧系金属的氧化物，过渡金属，或者镍和稀土元素的混合物，以及前述催化剂的混合物。在另一实施方案中，催化剂选自Y-Ni合金、Fe-Ni合金、Fe-Co合金、Co-Ni合金、Rh-Pt合金或Ce-Ni合金。

根据本发明第一方面的一种实施方案，助催化剂与催化剂的重量比为大于0至0.1∶1。在另一实施方案中，助催化剂与催化剂的重量比为0.01～0.03∶1，更优选为0.02～0.03∶1。

在本发明第一方面的另一实施方案中，用于电弧放电法生产碳纳米管的碳源为石墨。在一种实施方案中，碳源与催化剂的重量比为0.5～10∶1，优选为1～5∶1。

根据本发明第一方面的一种实施方案，优选的是，碳源∶催化剂∶助催化剂的重量比为3.4∶1∶0.02，其中所述碳源为石墨，催化剂为Y-Ni合金，助催化剂为硒。

在本发明第一方面的各个实施方案中，碳纳米管(CNT)优选为单壁碳纳米管(SWNT)。

本发明的第二方面提供了根据本发明第一方面的方法所制备的碳纳米管。该碳纳米管具有最高大于99％的纯度，其直径分布主要在约1.47-1.53nm。因而，与常规碳纳米管相比，该碳纳米管具有更加优异的性能。

本发明的第三方面提供了包括根据本发明第二方面的碳纳米管的碳纳米管元件。

在本申请的各个方面，碳纳米管(CNT)优选为单壁碳纳米管(SWNT)。

下文的详述将使本发明的其它目的和方面变得明显。但是应该理解，虽然详述和具体实施例示出了本发明优选的实施方式，但是它们仅是说明性的，本领域技术人员通过理解以下详述，很明显可以在本发明的精神和范围内做出各种改变和变化形式。

附图说明

图1示出了本发明用于制备碳纳米管的电弧炉的示意图。