[发明专利]一种水平阵列碳纳米管的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管（CNTs）的制备方法，特别是涉及一种基于近场静电纺丝的可控超长水平阵列碳纳米管的制备方法。

背景技术

碳纳米管以其优异的力学、热学、声学、光学和电学性能，在复合材料、能源存储、传感器和生物医药等诸多领域得到了广泛应用。化学气相沉积法制备的碳纳米管有聚团碳纳米管、垂直阵列碳纳米管和超长水平阵列碳纳米管三种形，其中超长水平阵列碳纳米管是指管与管之间的距离较大、平行排列、沿气流定向、水平生长于基板表面的碳纳米管集合体，通常单根碳纳米管长度可以达到毫米量级，甚至厘米量级以上。水平超长碳纳米管缺陷程度低，结构较为完美，在纳米电子器件制备和超强纤维制备等方面优势明显，应用前景广阔。

控制超长碳纳米管的管壁数、管径、阵列长度和密度是其获得工业化应用的关键。研究结果表明，催化剂颗粒的大小决定了超长碳纳米管的管壁数和管径，因此必须保持金属催化剂颗粒的单分散状态和粒径窄分布。Huang等人[S.Huang,X.Cai,and J.Liu.Growth of millimeter-long and horizontally aligned single-walled carbon nanotubes on flat substrates[J].J.Am.Chem.Soc.,2003,125(19):5636-5637.]采用了类似于半导体工业常采用的光刻的方法制备了单分散的催化剂颗粒。他们先将光刻胶涂在基底上，然后覆上事先制备好的掩膜，通过紫外线照射将掩膜镂空处的光刻胶去掉，然后在去掉光刻胶的地方涂上含有催化剂粒子的溶液，干燥后，将掩膜及剩余的光刻胶去掉，再进行超长碳纳米管的制备。Li等人[Y.Li,W.Kim,Y.Zhang,et al.Growth of single-walled carbon nanotubes from discrete catalytic nanoparticles of various sizes[J].J.Phys.Chem.B,2001,105(46):11424-11431.]通过将数量可控的三价铁植入铁蛋白的孔中，然后对所制备的铁蛋白进行高温氧化的方法获得分散良好且粒径可控的氧化铁颗粒，然后在上面生长分散的单壁碳纳米管。另一方面，保持其金属催化剂颗粒均匀分散的状态是提高超长碳纳米管水平阵列密度的重要手段。目前对高密度超长碳纳米管水平阵列的制备方法还没能取得突破。Zhou等人[W.Zhou,Z.Han,J.Wang,et al.Copper catalyzing growth of single-walled carbon nanotubes on substrates[J].Nano Letters,2006,6(12):2987-2990.]以硅片为基底所制备的超长碳纳米管水平阵列每10μm的范围内仅有2～3根；Hong等人[S.W.Hong,T.Banks and J.A.Rogers.Improved density in aligned arrays of single-walled carbon nanotubes by sequential chemical vapor deposition on quartz[J].Adv.Mater.,2010,22:1826–1830.]利用重复生长的方法制备了平均20～30根/μm密度的碳纳米管，但制备周期长，效率低。

另外，对于在带结构的复杂基底上生长碳纳米管，很难在基底覆上催化剂而不污染其它结构，常采用光刻、PDMS/PMMA转移和纳米压印等手段将碳纳米管转移到所需结构上，然而这些方法存在操作繁琐、效率低、不易控制和成本高等缺点。

Sun等[D.Sun,C.Chang,S.Li,et al.Near-Field electrospinning[J].Nano Letters,2006,6(4):839-842.]公开一种基于近场静电纺丝。

因此，急需探索出一种制作工艺简单高效兼具催化剂颗粒大小和催化剂颗粒分散调控以及可在带结构复杂基底上生长的水平阵列可控碳纳米管的制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于近场静电纺丝直写催化剂纳米线的一种水平阵列碳纳米管的制备方法。

本发明包括以下步骤：

1）将Fe、Mo、Co、Ni、Cu和Cr中的至少一种金属氯化物的乙醇溶液与聚合物溶液混合，得混合溶液，再利用近场静电纺丝技术在基底上直写出催化剂纳米线图案；

2）将步骤1）得到的样品除去催化剂纳米线上的有机物；