[发明专利]一种片状Fe基合金催化生长碳纳米管阵列的制备方法

说明书

一种片状Fe基合金催化生长碳纳米管阵列的制备方法，属于新材料技术、锂离子二次电池领域。包括以下步骤：1)片状Fe基合金置于CVD旋转炉内，通入氮气或者惰性气体；2)启动CVD旋转炉，炉内温度升至450～550℃，向炉内通入乙炔气体，反应30min后，停止乙炔气体的通入，得到长有碳纳米管阵列的Fe基合金；3)酸洗处理去除Fe基合金，得碳纳米管阵列。本发明通过控制工艺条件有效的调控碳纳米管阵列的生长，成功的实现了基底、缓冲层、催化剂层三合一制备出碳纳米管阵列；制备工艺条件温和，方法简单，有利于大规模的制备，具有很好的商业价值；制得的碳纳米管应用于锂离子电池负极，有良好的稳定性、较高的可逆比容量。

技术领域

本发明属于新材料技术、锂离子二次电池领域，具体涉及一种催化化学气相沉积在Fe基合金表面制备碳纳米管阵列的方法及其在锂离子二次电池中的应用。

背景技术

自碳纳米管发现以来，由于其独特的几何结构和电子结构而广泛的受到各界的关注。同时，也因其具有良好的力学性能、大的长径比、比表面积大、电导率高等特点，使其在传感器、平板显示器、超级电容器、锂离子电池等领域得到了广泛的应用。特别是针对锂离子电池而言，传统锂离子电池的石墨负极材料最大理论比容量只有372mAh g^-1，这对于当今飞速发展的电子时代而言，其性能已不足以满足当前的需求，因此迫切需要制备方法简单、稳定性高、性能优异的负极材料。虽然，目前已经开发出的负极材料有很多，有硅负极材料、金属氧化物负极材料、硅碳复合负极材料、金属合金负极材料等，但碳材料由于其性能优良、价格低廉、制备简单等特点仍是储能领域的理想材料。所有碳材料中，碳纳米管具有优良的导电性能和储锂性能，同时具有很小的直径使得锂的嵌入和脱出更加方便，使其在替代传统锂离子电池负极石墨材料上成为了一个尤为重要的话题。

碳纳米管阵列相比无序的碳纳米管而言，更有序，长径比更稳定，应用于锂离子电池将有更好的性能，因此关于碳纳米管阵列的制备是一个极其热门的话题。目前，碳纳米管阵列的制备方法主要有两种：物理方法和化学方法。物理方法主要包括传统的电弧放电法(Arc discharge)、激光烧蚀法(Laser Ablation)等，但制备出来的碳纳米管杂乱无章、相互缠绕，还需要借助碳纳米管本身的特定性质(磁性和自组装性能)去实现碳纳米管的定向排列。由于物理法制备碳纳米管阵列的局限性，所以对碳纳米管的合成过程进行控制，使其有规律的定向生长，或者直接在基底上得到定向有序碳纳米管阵列，甚至可以通过改变工艺参数，实现碳纳米管长度、管径、密度及生长方向等的可控，逐渐成为人们研究的热点。这类制备定向碳纳米管阵列的方法统称为化学方法，主要是通过化学气相沉积(CVD)技术直接在基体上生长出排列有序的碳纳米管阵列。化学法主要包括：模板法、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、光辅助化学气相沉积法、电场诱导法、衬底法等。而这些制备方法中，衬底法是目前最有前景、应用最广的制备方法，其按照催化剂还可以分类为固体催化剂法和浮游催化剂法。固体催化剂法即通过电子束蒸镀、磁控溅射、热蒸发等技术在基底上分别镀上缓冲层和催化剂，之后置于反应炉中制备碳纳米管阵列；而浮游催化剂法是将催化剂与液态碳源混合作为前驱体溶液，以气体形式引入反应室，催化热解形成碳纳米管。总的来说，目前关于碳纳米管阵列的制备方法虽多，但还存在着些许的不足，要么制备方法简单，但制备出碳纳米管阵列互相缠绕、高度无序，要么制备碳纳米管阵列的工艺过于繁琐，不利于大批量的制备。因此，一种方法简单、成本低廉、可批量生产碳纳米管阵列的方法仍是一个较为重要的研究话题。

发明内容

本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出一种通过催化化学气相沉积法在Fe基合金催化生长碳纳米管阵列的制备方法。本发明采用片状Fe基合金材料，通过催化化学气相沉积法(CCVD)进行碳沉积，实现了基底、缓冲层和催化剂层三合一制备出具有良好致密性和长势良好的碳纳米管阵列。利用其大的长径比使得锂离子的嵌入深度小、行程短及嵌入位置多(管内和层间的缝隙、空穴等)，同时因碳纳米管导电性能很好，具有较好的电子传导和离子运输能力，适合用作锂离子电池负极材料。对比传统的石墨负极性能有着明显的提升，在锂离子电池的应用上有着良好的应用前景。