定向生长碳纳米管阵列的装置及方法

摘要

本发明公开一种定向生长碳纳米管阵列的装置，其包括：一反应室；一具有正极与负极的直流电源；设置在该反应室内部的一与所述电源的正极相连的第一金属板；一与所述电源的负极相连且与第一金属板相平行的第二金属板；及一处于该第一金属板与第二金属板之间的基底，该基底用于形成催化剂的表面与该第二金属板相对。另，本发明还提供一种采用该装置定向生长碳纳米管阵列的方法。本发明生长碳纳米管阵列，其成本较低且易于实现碳纳米管阵列的定向生长。

说明书

【技术领域】

本发明涉及纳米材料技术领域，尤其是关于一种定向生长碳纳米管阵列的装置及方法。

【背景技术】

碳纳米管是由单层或多层石墨片按一定的螺旋度卷曲而成的无缝纳米级圆筒，由于碳纳米管的径向受到纳米尺度的限域效应，为标准的一维量子线，其可表现出许多量子力学效应；且随着碳纳米管螺旋度的变化，其可呈现金属性或半导体性等。正由于碳纳米管的独特特性，使其在各学科领域具有广阔的应用前景。

传统的碳纳米管生长的方法有电弧放电法、激光蒸发法及化学气相沉积法等。电弧放电法是利用气体放电将电能转化成热能与光能，继而使固体碳源蒸发进行结构重排来生长碳纳米管。激光蒸发法是利用雷射光照射固体碳源将其转化为气态碳，并在催化剂作用下生长成碳纳米管。化学气相沉积法又可称为催化热解法，其是以易分解的烃类有机物为碳源，利用过度金属元素作为催化剂分解碳源产生碳原子来形成碳纳米管。

电弧放电法及激光蒸发法皆难以直接生长成定向的碳纳米管阵列。

化学气相沉积法可以实现碳纳米管阵列的定向生长。现有的定向生长碳纳米管的化学气相沉积法有等离子辅助化学气相沉积法与热化学气相沉积法。然而，等离子辅助化学气相沉积法需要额外使用产生等离子的真空系统，致使其具有较高的成本；热化学气相沉积法，具有生长面积大型化、且成本低的优势，但其要求反应条件严格，具有反应参数难以控制的缺点，因此其要实现定向碳纳米管阵列的生长比较困难。

因此，有必要提供一种成本较低且易于实现定向生长碳纳米管阵列的装置及方法。

【发明内容】

以下将以实施例提供一种定向生长碳纳米管阵列的装置及方法。

一种定向生长碳纳米管阵列的装置，包括一反应室；一具有正极与负极的直流电源；设置在该反应室内部的一与所述电源的正极相连的第一金属板；一与所述电源的负极相连且与第一金属板相平行的第二金属板；及一处于该第一金属板与第二金属板之间的基底，该基底用于形成催化剂的表面与该第二金属板相对。

及，一种定向生长碳纳米管阵列的方法，将催化剂形成在基底上；将该基底设置在第一金属板与第二金属板之间，且该基底形成催化剂的表面与该第二金属板相对；接通直流电源，使该第一金属板与第二金属板之间产生电场；加热反应室；及通入碳源气，反应生成定向碳纳米管阵列。

与现有技术相比较，上述定向生长碳纳米管阵列的装置及方法，采用两金属板来产生电场，在电场作用下，碳纳米管会形成偶极子，偶极子排列方向需与电场的方向相同，继而促使碳纳米管沿着与电场方向生长，而易于获得定向排列的碳纳米管阵列；且该定向生长碳纳米管阵列的过程仅需额外增加一电场，其所需成本较低；因此上述的定向生长碳纳米管阵列的装置及方法具有易于实现定向生长碳纳米管阵列且成本较低的优点。

【附图说明】

图1是定向生长碳纳米管阵列的装置的第一实施例示意图。

图2是第一实施例的第一金属板与第二金属板位置关系示意图。

图3是定向生长碳纳米管阵列的装置的第二实施例示意图。

【具体实施方式】

下面将结合附图对本发明实施例作进一步详细说明。

请参见图1，其是定向生长碳纳米管阵列的装置第一实施例示意图，其包括一反应室1，一具有正极3与负极4的直流电源2，以及设置在该反应室1内部的一第一金属板5；一第二金属板6；及一基底8。其中该第一金属板5与所述电源2的正极3用导线7电性连接；该第二金属板6与所述电源2的负极4用导线7电性连接，且与该第一金属板5相平行；该基底8处于该第一金属板5与第二金属板6之间，且该基底8用于形成催化剂的基底表面9与该第二金属板6相对。

在该第一金属板5与第二金属板6通电时，其可产生电场。当反应生长碳纳米管阵列，由于有电场存在，碳纳米管会发生极化产生偶极子；偶极子朝向如果未与电场处在同一方向上，则电场力会使偶极子产生转动力矩，致使偶极子最终形成与电场相同方向相同的朝向；因此碳纳米管会被促使沿着与电场相同的方向生长，而易于获得定向排列的碳纳米管阵列。

请参见图2，基底8处于该第一金属板5与一第二金属板6之间，根据生长碳纳米管阵列的朝向要求，该基底8可转动或该第一金属板5与第二金属板6同时转动，使得该第一金属板5与第二金属板6的中心连线与基底表面9可成一角度θ，而获得不同方向的电场，该角度θ取值范围为0°＜θ＜90°；优选是，该第一金属板5与第二金属板6的中心连线通过该基底表面9的中心。例如，当反应生长碳纳米管阵列要求垂直于该基底表面9时，该第一金属板5与第二金属板6的中心连线与基底表面9所成的角度θ可为90°，以使该第一金属板5与第二金属板6可形成垂直于基底表面9的电场。

第一金属板5与第二金属板6的材质及该导线7的导电材质为熔点较高的材料，具体是该材料在碳纳米管生长所需的温度下不会被熔融，其可为金(熔点为1064℃)、铜(熔点为1083℃)、铂(熔点为1772℃)、钯(熔点为1552℃)、铁(熔点为1535℃)、钴(熔点为1495℃)及镍(熔点为1453℃)等之一或几种的合金。

进一步，请参见图3，为避免碳源气分解所产生的碳粒子直接沉积在该第一金属板5与第二金属板6上，而污染金属板并影响其产生电场的均匀性，可在其外设置一层防护装置10。另外，导线7处于反应室1内的部分也可设置一防护装置10，以避免碳直接沉积在其表面。且设置一层防护装置10，还会有益于仪器使用后的清洁工作。

该防护装置材质为熔点较高且绝缘的材料，例如石英管。

进一步，该定向生长碳纳米管阵列的装置还包括一温度控制系统11，视反应室的形状而定，其可处于反应室1外或反应室1内，具体要求是其能实现对反应室均匀加热；优选是该温度控制系统11包括多个加热器，且均匀分布在该反应室1的内壁或外壁。均匀加热，易于使反应室内1各处的生成碳纳米管的速度均匀，进而更易于使得碳纳米管阵列定向排列。

另，上述定向生长碳纳米管阵列的方法包括如下步骤：

步骤一，将催化剂形成在基底8上。该催化剂可为铁、钴、镍、钼、钒、氧化铁、氧化镍及氧化钴等之一或几种组合。

步骤二，将该基底8设置在第一金属板5与第二金属板之间6，且该基底形成催化剂的表面9与该第二金属板相对。其中，根据所需碳纳米管阵列的朝向需要，可设置好第一金属板5与第二金属板6的中心连线与基底表面9所成的角度θ。

步骤三，接通所述直流电源2，使所述第一金属板5与第二金属板6之间产生电场。根据反应生成碳纳米管的速度不同，所需电场强度不同；该电场强度可通过控制所述直流电源2的电压来控制，该直流电源2电压可为500伏特以下。

步骤四，加热反应室1温度为预定的反应温度。反应温度具体是依照所采用的催化剂及碳源来确定，该反应温度可为500～1000摄氏度。

步骤五，通入碳源气，反应生成定向碳纳米管阵列。该碳源气可为甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、甲烷、乙烯、乙炔、丙烯、丙二烯及一氧化碳等之一或几种混合物。

反应过程中，由于有所述第一金属板5与第二金属板6所产生的电场的作用，碳纳米管会被极化生成偶极子，促使碳纳米管朝着电场的方向生长，继而生成与基底表面9成θ角的碳纳米管阵列。相较于现有技术的等离子辅助化学气相沉积法需要额外使用费用较高的产生等离子的真空系统，在该定向生长碳纳米管阵列的过程中，仅需增加一电场即可实现碳纳米管阵列的定向生长，其所需成本降低。

与现有技术相比较，上述定向生长碳纳米管阵列的装置及方法，采用第一金属板5及第二金属板6来产生电场，在电场的作用下，碳纳米管会形成偶极子，偶极子排列方向需与电场的方向相同，继而促使碳纳米管沿着与电场方向生长，而易于获得定向排列的碳纳米管阵列；且该定向生长碳纳米管阵列的过程中仅需额外增加一电场，其所需成本较低；因此上述的定向生长碳纳米管阵列的装置及方法具有易于实现定向生长碳纳米管阵列且其成本较低的优点。