[发明专利]在水泥熟料上连续、大规模合成碳纳米管的方法及纳米结构产品

说明书

本发明描述了用于碳纳米管合成的化学气相沉积，其中使用水泥熟料作为用于锚固(anchoring)过渡金属纳米颗粒的陶瓷基体。使用水泥熟料作为过渡金属的纳米颗粒锚固基底允许在水泥熟料颗粒和晶粒上产生碳纳米管，以这种方式产生一种用碳纳米管纳米结构化的水泥。其中，通过该方法，以仅一个连续且大规模的阶段进行碳纳米管合成和将其与熟料结合，本文描述的方法可以适用于其产量可被评估为每天数吨的传统水泥工业。作为在水泥熟料上合成碳纳米管的一部分，本发明通过使用用于产生这样的纳米结构复合物的过渡金属还提出了水泥熟料的若干富集(enrichment)替代方法，其可以整合到传统水泥工业中或者可以不整合到传统水泥工业中。

现有技术状态

现今，认为碳纳米管是纳米科学和纳米技术中最重要的材料之一，在材料和生物材料工程、化学和石油化学、制药和药物中具有充分和多样的用途。特别地，将碳纳米管纳入到聚合物基体中在目前是与常规聚合物相比具有优越得多的机械性能的新聚合物复合材料的来源。

碳纳米管是管状碳纤维纳米结构，其直径为0.7-50nm和长度为0.5-100μm。纳米管碳原子通过牢固的共价键彼此连接形成平面六边形网络，其典型地是碳的石墨(graffiti)相。通过将碳片层卷起形成碳纳米管，碳纳米管可以由单个碳片层或由多个卷起的同心片层构成，分别称作单壁碳纳米管(SWNT)和多壁碳纳米管(MWNT)，碳原子之间这样的牢固连接给这些材料提供异常的物理-化学性能，例如高的机械抗性、化学惰性和大的比表面积。

碳纳米管弹性模量为1-1.8TPa，远高于商用碳纤的典型800GPa的弹性模量(Treacy M，Ebbesen TW，Gibson JM.1996.Nature 381：678-80)，并且其断裂强度达到钢的断裂强度的50倍。这样的碳纳米管机械性能改善了在其组成中含有它们的材料的机械和结构特征。

其它涉及碳纳米管和其在各种应用中的潜力的文献为：M.S.Dresselhaus，G.Dresselhaus，P.C.Ecklund，Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes，Academic Press，San Diego(1996)；Peter J.F.Harris，Carbon Nanotubes and Related Structures；New Materials for the Twenty-first Century，Cambridge University Press，2008-ISBN-13：9780521005333；Mauricio Terrones，SCIENCE AND TECHNOLOGY OF THETWENTY-FIRST CENTURY：Synthesis，Properties and Applications of Carbon Nanotubes，Annu.Rev.Mater.Res.2003.33：419-501。

在多种大规模纳米管合成路径中，用于碳纳米管合成的化学气相沉积是最有希望的一种。该方法基本上是通过作为碳前体试剂的轻烃(甲烷，乙烯，乙炔)的分解或热解来实施。在受控制气氛下通过主要使用惰性气体作为用于生长环境控制的载带剂和作为用于反应副产物的拖带物(drag)进行这样的分解。如图1中所示意性地描述的，上述合成系统基本上由管式窑构成，该方法中涉及受控制的温度和气体流量控制器。图1由纳米管催化合成中在氧化物颗粒上的化学气相沉积示意图组成并且其提供了通过使用上述技术生长的碳纳米管的显微镜法视图。

一般而言，碳纳米管通过化学气相沉积的生长过程在大气压下进行并且通过纳米颗粒过渡金属来催化碳气体前体的分解反应，所述纳米颗粒过渡金属锚固在热稳定的金属氧化物载体中。对该催化剂进行设计以选择性地促进所述热解反应使得其优选在这些纳米颗粒的表面上进行。