基于石墨烯量子点化学气相沉积合成碳纳米管的方法

摘要

本发明公开了一种基于石墨烯量子点化学气相沉积合成碳纳米管的方法。将制备好的石墨烯量子点溶液滴加在硅片表面，干燥后进入化学气相沉积反应炉，通入乙炔、乙烯、甲烷、丙烯、丁烷等作为碳源，将温度调节至适当的反应温度，在一定压强条件下合成碳纳米管。本发明未使用任何催化剂，仅使用乙炔、乙烯、甲烷、丙烯、丁烷等与石墨烯量子点分别作为碳源与基底，制备碳纳米管。与现有技术相比，本方法未使用催化剂，且首次以石墨烯量子点为基底，步骤简单，易于操作，适用于工业化生产。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无机纳米材料的制备方法，具体涉及一种基于石墨烯量子点化 学气相沉积合成碳纳米管的方法。

背景技术

碳纳米管被公认为目前纳米科技领域的高端技术成果之一，其强度高、质量轻、 性能稳定、导热性好、比表面积大、长径比高。碳纳米管具有独特的电性能、机械 性能、吸附性能和热性能，在储能器件、电极材料、复合材料、吸附分离、催化等 诸多领域都有广泛的应用。

碳纳米管的制备方法很多，化学气相沉积法是最主要的方法之一。传统的化学 气相沉积法是在高温下，通过Fe、Co、Ni等金属催化剂作用，使碳源裂解制备碳 纳米管。文献中常用碳氢化合物如C₂H₂（Appl Phys Lett1998;72:3282-3284.）、C₆H₆（Chem Mater2002;14:3990-3994.）、C₄H₄S(Chem Phys Lett1999;307:158-162. Carbon2005;43:1550-1555.)等作为碳源。但这个过程中都要用到金属催化剂，提纯 碳纳米管去除催化剂的过程耗时费力。

近年来，一些研究已经开始采用无催化剂化学气相沉积法来合成碳纳米管。部 分碳材料如炭黑（Carbon2008;46:1619-1623.）等可以作为无催化剂化学气相沉积 法中生长碳纳米管的基底。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种采用无催化剂化学气相沉积法来合成 碳纳米管的方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题避免使用催化剂，采 用化学气相沉积法来合成碳纳米管。

为实现上述目的，提供一种基于石墨烯量子点化学气相沉积合成碳纳米管的方 法。本发明通过以下技术方案来实现：将石墨烯量子点溶液滴加在硅片表面，干燥 后置于化学气相沉积反应炉中；通入乙炔、乙烯、甲烷、丙烯、丁烷等作为碳源， 将温度调节至适当的反应温度，在一定的压强下合成碳纳米管。本发明未使用任何 催化剂，仅使用乙炔、乙烯、甲烷、丙烯、丁烷等与石墨烯量子点分别作为碳源与 基底来制备碳纳米管。

一种基于石墨烯量子点化学气相沉积合成碳纳米管的方法，具体包括以下步 骤：

步骤1，将石墨烯量子点溶液滴加在硅片上，干燥后备用；

步骤2，将硅片放入石英舟中；

步骤3，将石英舟置于管式炉中石英管中间区域，关闭石英管两端阀门后开启 冷却循环水；

步骤4，开启真空泵，通入氩气净化干燥化学气相沉积炉，调节抽气量使压强 稳定；

步骤5，开启加热系统，氩气氛围下升温至650～900℃；

步骤6，通入乙炔、乙烯、甲烷、丙烯、丁烷等碳源，调节气体流量和抽气量， 使石英管内压强保持稳定；

步骤7，反应一段时间后，关闭加热系统，停止通入乙炔、乙烯、甲烷、丙烯、 丁烷等碳源并通入氢气，调节抽气量使压强稳定，待系统冷却至300℃以下后，停 气，关闭化学气相沉积炉电源、真空泵电源和循环水系统；

步骤8，系统冷却至室温后取出样品，在硅片表面得到碳纳米管。

一种基于石墨烯量子点化学气相沉积合成碳纳米管的方法，以下为进一步的技 术方案：

步骤2中所述的石英舟长度为20～30cm，内径5～10cm；

步骤4中调节抽气量使石英管内压强为10～100Pa；

步骤6中碳源为乙炔、乙烯、甲烷、丙烯、丁烷之中的一种；

步骤6中调节气体流量，氩气流量150～250sccm，碳源流量为10～50sccm， 调节压强为3000～8000Pa；

步骤7中所述的反应时间为1～6小时，停止通气后，调节抽气量使压强为10 ～100Pa；

本发明所需装置包括5个部分：真空泵、化学气相沉积炉，供气系统、冷却循 环水系统和石英舟。开启真空泵后，调节抽气量使石英管内压强为10～100Pa再开 始计时。

本发明的有益技术效果是：本发明未使用任何催化剂，且首次以石墨烯量子点 为基底。该方法步骤简单，易于操作，适用于工业化生产。

附图说明

图1为实施例1合成的碳纳米管扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

下面对本发明的实施例做详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进 行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下 述的实施例。

实施例1

步骤1，将石墨烯量子点溶液滴加在硅片上，干燥后备用；

步骤2，将硅片放入石英舟；

步骤3，将石英舟置于管式炉中石英管中间区域，关闭石英管两端阀门后开启 冷却循环水；

步骤4，抽真空10分钟，通入氩气，流量为180sccm，10分钟后停气，再抽 真空20分钟；

步骤5，开启加热系统，氩气流量为180sccm氛围下升温至700℃；

步骤6，通入乙炔或乙烯、苯、甲苯等，调节氩气流量为170sccm，乙炔流量 为20sccm，使石英管内压强保持在5000Pa；

步骤7，反应2小时后，关闭加热系统，停止通入乙炔和氢气，待系统冷却至 300℃以下后，停气，关闭化学气相沉积炉电源、真空泵电源和循环水系统；

步骤8，系统冷却至室温后取出样品；硅片表面即得碳纳米管。

本发明所需装置包括5个部分：真空泵、化学气相沉积炉，供气系统、冷却水 循环系统和石英舟。开启真空泵后，调节抽气量使石英管内压强为10～100Pa再开 始计时。停止通气后，调节抽气量使压强为10～100Pa。步骤2中所述的石英舟长 度为20～30cm，内径5～10cm。

实施例2

步骤1，将石墨烯量子点溶液滴加在硅片上，干燥后备用；

步骤2，将硅片放入石英舟；

步骤3，将石英舟置于管式炉中石英管中间区域，关闭石英管两端阀门后开启 冷却循环水；

步骤4，抽真空10分钟，通入氩气，流量为180sccm，20分钟后停气，再抽 真空10分钟；

步骤5，开启加热系统，氩气流量为100sccm氛围下升温至500℃；

步骤6，氩气流量为180sccm氛围下升温至800℃，通入乙烯等，调节氩气流 量为180sccm，乙烯流量为20sccm，使石英管内压强保持在6000Pa；

步骤7，反应2小时后，关闭加热系统，停止通入乙烯和氢气，待系统冷却至 300℃以下后，停气，关闭化学气相沉积炉电源、真空泵电源和循环水系统；

步骤8，系统冷却至室温后取出样品；硅片表面即得碳纳米管。

实施例3

步骤1，将石墨烯量子点溶液滴加在硅片上，干燥后备用；

步骤2，将硅片放入石英舟中；

步骤3，将石英舟置于管式炉中石英管中间区域，关闭石英管两端阀门后开启 冷却循环水；

步骤4，抽真空20分钟，通入氩气，流量为180sccm，10分钟后停气，再抽 真空10分钟；

步骤5，开启加热系统，氩气流量为100sccm氛围下升温至500℃，保温25 分钟；

步骤6，氩气流量为180sccm氛围下升温至700℃，通入乙炔，调节氩气流量 为170sccm，乙炔流量为20sccm，使石英管内压强保持在5000Pa；

步骤7，反应4小时后，关闭加热系统，停止通入乙炔和氢气，待系统冷却至 300℃以下后，停气，关闭化学气相沉积炉电源、真空泵电源和循环水系统；

步骤8，系统冷却至室温后取出样品；硅片表面即得碳纳米管。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需 创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中 技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验 可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。