非晶碳包裹单壁碳纳米管线及其制备方法

摘要

一种纳米材料技术领域的非晶碳包裹单壁碳纳米管线及其制备方法；该非晶碳包裹单壁碳纳米管线由无定形碳构成的外壳和包裹在该外壳中的单壁碳纳米管组成；其制备方法包括如下步骤：步骤一，将催化剂与石墨粉混合，制备石墨棒；所述催化剂为过渡金属中的一种或几种的混合；步骤二，在缓冲气体氛围中，以步骤一所得石墨棒为阳极，在电弧室中发生电弧放电，得到非晶碳包裹单壁碳纳米管线。本发明的方法工艺简单，制备的非晶碳包裹单壁碳纳米管线纯度高，表面光滑，长径比可达10～100。

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米材料技术领域的单壁碳纳米管线及其制备方法，具体是一种非晶碳包裹单壁碳纳米管线及其制备方法。

背景技术

碳纳米管(Carbon nanotubes；CNT)自1991年被发现后就引起了科学界的广泛关注。由于其具有独特准一维结构和优异电学性能及机械性能，而被广泛应用于纳电子器件、场发射技术、生物载药、储氢技术等等诸多领域具。碳纳米管可分为单璧碳纳米管(SWNT)、双璧碳纳米管(DWNT)、多壁碳纳米管(MWNT)。其中单璧碳纳米管作为优良的一维纳米材料，因其具有较高的载流子迁移率而被用作制造场效应晶体管、薄膜晶体管等纳电子器件，有望取代硅材料而成为下一代微电子器件的关键材料。当前制备碳纳米管的主要制备技术为电弧放电法(DC arc discharge)、化学气相沉积法(CVD)和激光烧蚀法。其中电弧放电法(Takikawa，H.Journal of the Vacuum Society of Japan，2008，Vol.51，P.240～244)是目前制备高质量单壁碳纳米管的主要方法。电弧放电法是指在充有一定气体(惰性气体或含有活化气体的混合气体)的反应腔体中，在一定的电压下两正对石墨电极(其中阳极石墨棒中含有催化剂)间发生电弧放电，碳原子在高温和催化剂作用下重排形成中空管状产物，即碳纳米管。自从碳纳米管被发现以来，很多科学家对碳纳米管的生长机制进行了大量研究，尤其是沿长度方向的碳纳米管生长机制。目前比较公认的生长模型是气-液-固(VLS)模型，即高温下处于气态的碳原子在与熔融的催化剂作用形成共熔体，过饱和的碳原子在共熔体的液相表面析出，进而冷却后成核(固相)，从而生长成碳纳米管，但是对于碳纳米管沿直径方向上的生长机制缺少研究。

经对现有技术的文献检索发现，尚未发现与本发明的非晶碳包裹单壁碳纳米管线及其制备方法有关的报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种非晶碳包裹单壁碳纳米管线及其制备方法。本发明的方法工艺简单，制备的非晶碳包裹单壁碳纳米管线纯度高，表面光滑，长径比可达10～100。

本发明是通过以下的技术方案实现的，

本发明涉及一种非晶碳包裹单壁碳纳米管线，由无定形碳构成的外壳和包裹在该外壳中的单壁碳纳米管组成。

所述单壁碳纳米管为一根或多根。

所述非晶碳包裹单壁碳纳米管线的制备方法包括如下步骤：

步骤一，将催化剂与石墨粉混合，制备石墨棒；

所述催化剂为过渡金属中的一种或几种的混合；

步骤二，在缓冲气体氛围中，以步骤一所得石墨棒为阳极，在电弧室中发生电弧放电，得到非晶碳包裹单壁碳纳米管线。

步骤一中，所述石墨棒中催化剂的摩尔含量1％～6％。

步骤一中，所述催化剂为以下组合中的一种或几种的混合：铁、钴、镍和钇。

步骤二中，所述电弧放电中，阳极的直径与阴极的直径的比为(1～5)∶1。

步骤二中，所述缓冲气体为以下组合中的一种或几种的混合：氦、氩和氢。

步骤二中，所述缓冲气体的气压为20～80KPa。

步骤二中，所述电弧放电具体为：电压为40～80V，电流60～120A。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明的方法工艺简单，制备的非晶碳包裹单壁碳纳米管线纯度高，表面光滑，长径比可达10～100。

附图说明

图1为非晶碳包裹单壁碳纳米管线的结构示意图；

图2为实施例1制备的非晶碳包裹单壁碳纳米管线的扫描电镜(SEM)照片；

图3为实施例1制备的非晶碳包裹单壁碳纳米管线的投射电镜(TEM)照片；

图4为实施例1制备的非晶碳包裹单壁碳纳米管线的拉曼光谱图。

具体实施方式

以下实例将结合附图对本发明作进一步说明。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过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。

实施例1

步骤一，按照C∶Ni∶Y的摩尔比为94.8∶4.2∶1的比例取如下物质：高纯石墨粉、Ni粉和Y₂O₃粉，混合均匀后填加入25wt％煤焦油，混合挤压成直径为40mm的棒；然后将棒放入氮气保护的高温炉中900℃处理3小时，即制得石墨棒；

步骤二，电弧放电在通有80KPa氦气的电弧室中进行，阴极直径为8mm，放电电流为60～70A，电压为40～50V，放电时间为30分钟，制得约0.2g非晶碳包裹单壁碳纳米管线。

图2、图3分别为所制备产物的SEM、TEM照片，从图中可以看出非晶碳包裹单壁碳纳米管线的直径在30～50nm，表面光滑。从TEM图中可看出碳纳米管表面被无定形碳所包裹，其结构示意图如图1所示。图4为所制备产物的拉曼光谱图，从图中可以看出位于1340cm^-1附近的D峰几乎消失，说明所制备的非晶碳包裹单壁碳纳米管线纯度较高。

实施例2

步骤一，按照C∶Fe的摩尔比为99∶1的比例取如下物质：高纯石墨粉、Fe粉，混合均匀后填加入25wt％煤焦油，混合挤压成直径为20mm的棒；然后将棒放入氮气保护的高温炉中900℃处理3小时，即制得石墨棒；

步骤二，电弧放电在通有12KPa氢气和18KPa氩气的电弧室中进行，阴极直径为8mm，放电电流为70～80A，电压为40～50V，放电时间为30分钟，制得约0.25g非晶碳包裹单壁碳纳米管线。

实施例3

步骤一，按照C∶Ni∶Co∶Fe的摩尔比为94∶4∶1∶1的比例取如下物质：高纯石墨粉、Ni粉、Co粉、Fe粉，混合均匀后填加入25wt％煤焦油，混合挤压成直径为35mm的棒；然后将棒放入氮气保护的高温炉中900℃处理3小时，即制得石墨棒；

步骤二，电弧放电在通有24KPa氢气和36KPa氩气的电弧室中进行，阴极直径为8mm，放电电流为110～120A，电压为70～80V，放电时间为50分钟，制得约0.5g非晶碳包裹单壁碳纳米管线。

实施例4

步骤一，按照C∶Ni∶Y的摩尔比为为94.8∶4.2∶1的比例取如下物质：高纯石墨粉、Ni粉、Y₂O₃粉，混合均匀后填加入25wt％煤焦油，混合挤压成直径为8mm的棒；然后将棒放入氮气保护的高温炉中900℃处理3小时，即制得石墨棒；

步骤二，电弧放电在通有20KPa氦气的电弧室中进行，阴极直径为8mm，放电电流为80～90A，电压为60～70V，放电时间为20分钟，制得约0.15g非晶碳包裹单壁碳纳米管线。