[发明专利]一种金属丝辅助化学气相沉积制备碳纳米管阵列的方法

说明书

本发明涉及一种金属丝辅助化学气相沉积制备碳纳米管阵列的方法，其特征在于以下过程：(1)在平面基底表面形成过渡金属催化剂/钝化层催化剂体系。(2)将附有过渡金属催化剂/钝化层的平面基底，置于真空体系中，以氢气为载气，以一定功率激发金属丝并向还原的金属催化剂沉积第二相金属，形成第二相金属/催化剂/钝化层体系。(3)通入碳源气体，利用化学气相沉积法在上述制得的第二相金属/催化剂/钝化层体系上生长碳纳米管阵列。

技术领域

本发明涉及一种通过金属丝辅助化学气相沉积制备碳纳米管阵列碳纳米管阵列的制备方法。

背景技术

碳纳米管(Carbon nanotubes，CNTs)可以理解为单层或多层类石墨层结构按照一定方式形成的矢量卷曲的中空无缝纳米级管体。因其独特的结构赋予了其大的比表面积、优良的机械性能、超高的导电和导热性能。碳纳米管阵列(Carbon nanotube arrays，CNTAs)不仅继承了CNTs的优点，同时由于其规则的取向和排列，以及优化的电子传输路径，使得CNTAs材料在场发射、催化、电化学、传感器等领域有着巨大的应用前景，并引起强烈关注。CNTAs的管径尺寸、取向性、石墨化程度对其物理、化学性质可产生显著影响，因此实现CNTA的可控制备具有重要意义。

目前，以金属催化剂/钝化层体系为催化剂，采用化学气相沉积法(Chemicalvapor deposition，CVD)制备CNTAs，成为广泛认可制备手段。CNTAs的结构受制于催化剂和生长氛围，一般认为催化剂颗粒大小对阵列中碳纳米管的管径起主导作用。由于引入的钝化层(如Al₂O₃、MgO等)可以抑制金属催化剂颗粒(如Fe、Co、Ni等)在高温CVD过程中的迁移、长大、烧结，进而保证CNTAs的生长。然而，对于单壁、双壁及少壁CNTAs的制备，不仅需要钝化层的缓冲，还需要引入其他的辅助方法维持催化剂的尺寸结构、分散性及催化活性。将第二相金属(如Mo、W、Ta等)引入催化活性金属颗粒，抑制催化剂金属与碳的强相互作用或催化剂金属的迁移和团聚导致的催化剂失效问题，进而达到提高单壁碳纳米管产率的作用。目前第二相金属/催化剂/钝化层体系的制备方法主要有磁控溅射法和电子束蒸发镀膜法，虽然反应可控度高，但是制备成本高，不利于单壁、双壁及少壁CNTAs的低成本生产(文献1：Noda S,Sugime H,Osawa T,et al.Carbon,2006,44(8):1414-1419；文献2:Wang X,Li Q,Xie J,Jin Z,et al.Nano Letters,2009(9):3137-3141；文献3：Sugime H,Sato T,Nakagawa R,et al.ACS Nano 2019,13,13208-13216)。

综上所述，开发一种制备成本低、条件可控的制备技术引入第二相金属，实现高质量单壁及少壁碳纳米管阵列的可控制备具有重要的研究价值和应用意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属丝辅助化学气相沉积制备碳纳米管阵列的方法，该方法过程简单可控、原料低廉，可大大降低高质量单壁及少壁碳纳米管阵列的成产成本。本发明采用化学气相沉积法，以氢气为载气、过渡金属/钝化层为催化剂，并以高熔点金属丝作为第二相金属沉积源，通过控制金属丝的作用功率及时间调节沉积第二相金属的含量，进而形成第二相金属/催化剂/钝化层体系，从而实现碳纳米管阵列的可控制备。本发明的技术方案是通过以下方案实现的，

一种金属丝辅助化学气相沉积制备碳纳米管阵列的方法，其特征在于以下过程：

(1)在平面基底表面形成过渡金属催化剂/钝化层催化剂体系。

(2)将附有过渡金属催化剂/钝化层的平面基底，置于真空体系中，以氢气为载气，以一定功率激发金属丝并向还原的金属催化剂沉积第二相金属，形成第二相金属/催化剂/钝化层体系。

(3)通入碳源气体，利用化学气相沉积法在上述制得的第二相金属/催化剂/钝化层体系上生长碳纳米管阵列。