[发明专利]制备和纯化碳纳米管的方法、碳纳米管以及碳纳米管元件

说明书

技术领域

本申请涉及制备碳纳米管(CNT)的方法，纯化碳纳米管(CNT)的方法，由这些方法得到的碳纳米管以及含有该碳纳米管的碳纳米管元件。更具体地，本申请涉及经由电弧放电法制备碳纳米管的方法、纯化碳纳米管的方法，由这些方法得到的碳纳米管以及含有该碳纳米管的碳纳米管元件。与常规方法不同，本申请的制备方法或者纯化方法采用电解工艺来除去电弧放电法中采用的催化剂。

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。

然而，在电弧放电法制备碳纳米管的过程中，通常都会同时生成一些杂质，例如石墨微粒、无定形碳和其它形式的碳纳米颗粒，并且还存在有金属催化剂颗粒和任选的助催化剂。这些杂质与碳纳米管混杂在一起，给碳纳米管更深入的研究和应用都带来了极大的不便。因而一般都需要采取各种物理化学方法对制备所得的碳纳米管初产品进行纯化，以得到纯度更高的碳纳米管。通常使用的化学提纯方法有液相氧化法和气相氧化法。例如，K.Tohji.T.Goto等人提出了使用热液体的方法(K.Tohji.T.Goto et al.J.Phys.Chem.1996，101，1974)。Z.Shi等人提出了气相氧化法(Z.Shi et al.SolidState Commun.1999，112，35)，E.Mizoguti等人提出了催化氧化法(E.Mizoguti et al.Chem.Phys.Lett.2000，321，297)。并且，硝酸回流法得到了广泛研究，例如参见J.L.Zimmerman等人的文章(J.L.Zimmerman et al.Chem.Mater.2000，12，1361)。此外，已经发现通过初始选择性氧化来除去无定形碳，接着在浓硝酸中回流的纯化方法可以有效除去反应产物中的金属(参见，K.Tohji et al.Nature 1996，383，679)。

这些提纯方法在本领域中是已知的，它们利用了碳纳米管比无定型碳、金属催化剂颗粒等杂质更稳定、更不易于氧化的性质，从而能够首先去除产物中的这些杂质，达到提纯的目的。气相氧化法根据氧化气氛的不同，可以有氧气(或空气)氧化法和二氧化碳氧化法等。液相氧化法中常用的液相氧化剂包括高锰酸钾、硝酸溶液或重铬酸钾等。此外，还有离心方法和微过滤等物理方法进行碳纳米管的分离。这些方法可以单独使用，也可以使用一种或多种的组合。例如，可以采用气相氧化法如空气氧化法来除去碳纳米管中易于除去的无定形碳等杂质；采用液相氧化法如硝酸氧化法来除去碳纳米管中不易除去的金属催化剂颗粒等杂质。同时，还可以结合离心法来得到纯化后的碳纳米管。

然而，目前存在的主要问题如何在不破坏碳纳米管的前提下将制备的碳纳米管纯化。现有技术中，采用的液相氧化方法，例如，在硝酸中回流来进行纯化的方法，将造成管壁的破坏。

此外，在电弧放电法中，在使用例如Y-Ni合金作为催化剂的时候，在反应完成后，这种催化剂存在于反应产物的内部或表面上，难以通过无机酸回流的方法除去。即使通过长时间的反应除去了大部分催化剂颗粒，也会同时破坏碳纳米管。这样会造成碳纳米管的品质下降。

而且，采用强酸回流的纯化方法造成所得碳纳米管存在以下问题：

A.在碳骨架中存在5元或7元环，而不是通常的6元环，造成碳纳米管弯曲；

B.Sp³杂化(R＝H和OH)缺陷；

C.氧化条件造成碳骨架受到破坏，缺陷处引入COOH基团；和

D.碳纳米管的端部开口，并引入COOH基团封端。

以上问题，示于图1。

因此，迫切需要一种可以在不损害碳纳米管的条件下，制备碳纳米管和纯化碳纳米管的方法。

发明内容

本申请的方法能够制备碳纳米管和纯化碳纳米管，并且不对碳纳米管造成损坏，特别是不对碳纳米管侧壁造成损坏。