[发明专利]一种硅化物生长单壁碳纳米管的方法

说明书

本发明涉及一种硅化物生长单壁碳纳米管的方法，以FeSi为催化剂，以惰性气体为载气，使碳源在高温条件下生长窄手性/直径SWNTs。有效克服了催化剂制备复杂，SWNTs直径较大，手性分布广的问题，实现在以硅化物为催化剂生长SWNTs，制备出窄手性/直径分布的SWNTs，为硅化物作为手性选择性合成SWNTs的催化剂开辟了道路。

技术领域

本发明属于碳纳米管生长领域，具体涉及首次采用一种硅化物作为催化剂生长窄直径单壁碳纳米管的方法。

背景技术

纳米材料被誉为21世纪最重要的材料之一，它将对未来社会的智能化发挥着举足轻重的作用，其中，碳纳米管(CNTs)在纳米碳材料中最富有代表性。自1993年发现了单壁碳纳米管(SWNT)以来，由于SWNTs独特的电子和光学特性在不同领域中得到了极大的关注。目前，CVD因制备工艺和设备比较简单，温和的反应和生长可控等优势而被广泛用于CNTs的生长，在CVD中，SWNTs结构在很大程度上取决于催化剂，生长温度，载体，气流等。其中，催化剂的大小，组分和结构对称性都在一定程度上影响SWNT的生长，并对控制SWNTs手性方面起着核心作用，因此，为实现SWNTs的手性控制，选取一种合适的催化剂十分重要。

在过去的二十年中，科学家们对SWNTs的研究取得了一些可喜的成果。各种催化剂已经很好地开发用于生长具有可控密度、取向、直径甚至手性的SWNTs，这些催化剂包括金属颗粒，金属碳化物，氧化物和精心设计的种子等。另外，在实现高纯度的单手性物种方面取得了一些突破，例如，使用固体W₆Co₇与Mo₂C催化剂，利用SWNT与催化剂纳米颗粒的特定面之间的特定结构匹配，合成了(12,6)物种。但是催化剂需要干燥、煅烧等过程，需要通过控制反应温度、反应实际以及还原剂等类型来实现对金属纳米粒子尺寸和形貌的控制，设计过程复杂。为了简化催化剂制备，已经直接应用许多天然矿物质来生长碳纳米管，但是生长出的碳管为多壁碳纳米管，甚至大多数是多壁碳纳米管和碳纤维的混合物。研究发现，Si的存在会降低Fe纳米粒子的催化作用，但是发明人发现：Liu等人利用二硅化铁(FeSi₂)为催化剂，甲烷、乙烯、氢气为碳源，成功生长出CNTs，由于制备的Fe纳米粒子直径相对较大，只生长出平均直径为4.5nm的双壁碳纳米管，证实了FeSi₂可以作为CNTs生长的有效催化剂。

发明内容

为了克服催化剂制备复杂，SWNTs直径较大，手性分布广的问题，实现在以硅化物为催化剂生长SWNTs，本发明研究发现：直接采用硅化铁(FeSi)为催化剂，以一氧化碳(CO)作为碳源，800℃以上的温度条件下成功生长SWNTs，并且在800℃成功制备窄手性/直径分布的SWNTs，为硅化物作为手性选择性合成SWNTs的催化剂开辟了道路。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种硅化物生长单壁碳纳米管的方法，以FeSi为催化剂，以惰性气体为载气，使碳源在高温条件下生长窄手性/直径SWNTs。

对于本申请的所用的碳源和载气没有特别限制。碳源例如可以使用碳氢化合物或碳氧化物，例如一氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔。载气通常可以使用惰性气体，例如氩气或氮气。

在一些实施例中，碳源采用CO，惰性气体采用氩气，更有利于控制SWNTs的直径范围，实现特定手性富集。

对于本申请方法所使用的催化剂载体没有特别限制，可以采用本领域通常采用的基板。一般而言，优选采用透明基板。例如，可以采用石英基板、硅基板和玻璃基板。但是考虑到所采用的温度，优选石英基板和硅基板。