专利名称：一种MgO纳米带-C纳米管复合材料的制备方法
技术领域：
本发明涉及金属氧化物复合材料的制备，特别是一种MgO纳米带-C纳米管复合材料的制备方法。
背景技术：
自从1991年，Iijima制备出碳纳米管以来，由于具有独特的力学、热学及电学性能，使其在扫描隧道显微镜的针尖、纳米器件和超大规模集成电路的连线、光导纤维和复合材料的增强剂等方面具有广阔的应用前景。MgO作为宽带隙绝缘体，具有高熔点(约2830°C)及低热容的特点，高的二次电子发射场，在plasma display panel (PDP)、光电化学太阳能电池、金属氧化物半导体栅可控器件与高温超导体混合材料等光电可持续领域有着广泛的应用。当尺寸细化至纳米量级后，因纳米材料所特有的体积效应和表面效应，氧化镁纳米材料在低温烧结、微波吸收、催化性能等众多方面呈现出许多不同于本体材料的热、光、电、力学和化学特性。因此，MgO纳米材料还可在电化学生物传感器、杀菌剂、耐火材料等方面具有广阔的应用前景。近年来，许多MgO纳米带的制备方法被相继提出，但这些方法存在着工艺复杂，纯度低、成本高等不足。Maldonado-Hodar等研究发现金属氧化物和碳相之间能体现出很好的协同或者合作效应，这些特点使得C纳米管(CNTs)应用于金属氧化物复合材料中，可很好的改善复合材料的各种性能，以达到强强联合的目的，使得MgO纳米带的性能更为优良。
发明内容
本发明的目的在于针对以上技术分析，提供一种MgO纳米带-C纳米管复合材料的制备方法，该方法工艺简单、纯度高、合成温度低、成本低、有望实现工业化量产。本发明技术方案:—种MgO纳米带-C纳米管复合材料的制备方法，采用射频等离子体增强CVD系统制备，步骤如下:I)将六水合硝酸镍和六水合硝酸镁溶于乙醇中，制得混合溶液作为催化剂前驱体；2)将上述混合溶液均匀滴涂在基片上，置于红外灯下烘干，然后放于射频等离子体增强CVD系统沉积室的沉积台上；3)关闭沉积室并抽真空，当真空度小于0.1Pa时，通入流量为5-200mL/min的保护气体和10-300mL/min的H2,当压强回升至IOO-1OOOPa时，将样品台在350-1000°C的条件下加热0.5-2.5小时，使前驱物热分解形成MgO和NiO ；4)施加50-500W的射频功率，在氢等离子体的作用下还原NiO，还原时间为
0.5-2.5小时，形成Ni纳米 金属颗粒，获得MgO纳米带-C纳米管复合材料生长所需的N1-MgO催化体系；
5)通入气体流量为10-200mL/min的碳源气体，在压强为20_1000Pa、衬底温度为300-1000°C条件下，施加射频功率50-500W，反应0.5-4.5个小时，连续生长即可制得MgO纳米带-C纳米管复合材料。所述混合溶液中六水合硝酸镍和六水合硝酸镁的摩尔比为10-1:1-10，六水合硝酸镍和六水合硝酸镁的总量与乙醇的用量比为0.l-2mol/Lo所述基片为硅、玻璃或石英。所述保护气体为氩气或氦气。所述碳源气体为甲烷、乙炔或乙烯。本发明的技术分析:射频等离子体增强CVD系统中，在上下两个电极之间施加射频偏压，产生辉光等离子体，样品台设置有加热器，与辉光等离子体一起给衬底加热，衬底温度由热电偶测量，并通过自动控温系统控制；当氢气通过两电极之间时，形成氢等离子体，由硝酸镍热分解形成的NiO经过氢等离子体还原形成Ni纳米金属颗粒，与MgO共同作为生长碳纳米管的催化剂体系，在氢、碳源气体等离子体气氛下生长碳纳米管，同时，MgO在等离子作用下形成纳米带形貌。本发明的优点:采用射频等离子体增强CVD系统，在基片上可直接快速生长MgO纳米带-C纳米管复合材料，催化剂的形成与材料的生长同时完成，产品纯度高，制备工艺简单、合成温度低、成本低，有利于工业化规模生产且潜力巨大。
图1为实施例1的工艺条件下制备的MgO纳米带-C纳米管复合材料SEM照片。
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图2为实施例2的工艺条件下制备的MgO纳米带-C纳米管复合材料中C纳米管的HRTEM照片。图3为实施例2的工艺条件下制备的MgO纳米带-C纳米管复合材料中MgO纳米带的HRTEM照片。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，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。该MgO纳米带-C纳米管复合材料的制备中，所采用的射频等离子体增强CVD系统为中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公司生产的PECVD400型高真空单靶高温镀膜设备。实施例1:一种MgO纳米带-C纳米管复合材料的制备方法，采用射频等离子体增强CVD系统制备，步骤如下:I)将14.5g的六水合硝酸镍和12.Sg的六水合硝酸镁溶于IOOmL的乙醇中，制得硝酸镍溶液浓度为0.5mol/L，浓度比为1:1的混合溶液，制得催化剂前驱体；2)将混合溶液均匀滴涂在硅基片上，在红外灯下烘干后，置于射频等离子体增强CVD^tl积室的样品台上；3)关闭沉积室并抽真空，当真空度小于0.1Pa时，通入流量为12mL/min的Ar和60mL/min的H2，当压强回升至400Pa时，将样品台在700°C的条件下加热1.5个小时，使前驱物热分解形成MgO和NiO ；4)施加250W的射频功率，在氢等离子体的作用下还原NiO，还原时间为I个小时，形成Ni纳米金属颗粒,获得MgO纳米带-CNTs纳米管复合材料生长所需的N1-MgO催化体系;5)通入气体流量为50mL/min的CH4，在压强为400Pa、衬底温度为750°C条件下，施加射频功率200W，反应0.5个小时，生长MgO纳米带-C纳米管复合材料。图1为该工艺条件下制备的MgO纳米带-C纳米管复合材料SEM照片，图中显示复合材料中碳纳米管管径约为20nm, MgO纳米带宽度约为20nm。实施例2:一种MgO纳米带-C纳米管复合材料的制备方法，采用射频等离子体增强CVD系统制备，步骤如下:I)将7.25g的六水合硝酸镍和14.2g的六水合硝酸镁溶于IOOmL的乙醇中，制得硝酸镍溶液浓度为0.25mol/L，浓度比为1:3的混合溶液；2)将混合溶液均匀滴涂在玻璃基片上，在红外灯下烘干后，置于射频等离子体增强CVD沉积室的样品台上；
3)关闭沉积室并抽真空，当真空度小于0.1Pa时，通入流量为10mL/min的氦气和70mL/min的H2,当压强回升至500Pa时，将样品台在800°C的条件下加热I个小时，使前驱物热分解形成MgO和NiO ；4)施加300W的射频功率，在氢等离子体的作用下还原NiO，还原时间为I个小时，形成Ni纳米金属颗粒,获得MgO纳米带-C纳米管复合材料生长所需的N1-MgO催化体系；5)通入气体流量为60mL/min的乙炔，在压强为500Pa、衬底温度为800°C条件下，施加射频功率300W，反应I个小时，生长MgO纳米带-C纳米管复合材料。图2为该工艺条件下制备的MgO纳米带-C纳米管复合材料中C纳米管的HRTEM照片，图中显示所制备的碳纳米管为“竹节状”的多壁碳纳米管，管径约为20nm。图3为该工艺条件下制备的MgO纳米带-C纳米管复合材料中MgO纳米带的HRTEM照片，图中显示所制备的MgO纳米带为分枝状结构，宽度约为10nm，且整体宽度均匀。通过实验确证，本发明中通过控制生长条件:如催化剂前驱物浓度及浓度比例、反应压强、气体流量、电弧功率等工艺条件，能制备出各种需求的MgO纳米带-C纳米管复合材料。
权利要求
1.一种MgO纳米带-C纳米管复合材料的制备方法，其特征在于:采用射频等离子体增强CVD系统制备，步骤如下: 1)将六水合硝酸镍和六水合硝酸镁溶于乙醇中，制得混合溶液作为催化剂前驱体； 2)将上述混合溶液均匀滴涂在基片上，置于红外灯下烘干，然后放于射频等离子体增强CVD系统沉积室的沉积台上； 3)关闭沉积室并抽真空，当真空度小于0.1Pa时，通入流量为5-200mL/min的保护气体和10-300mL/min的H2,当压强回升至IOO-1OOOPa时，将样品台在350-1000°C的条件下加热0.5-2.5小时，使前驱物热分解形成MgO和NiO ； 4)施加50-500W的射频功率，在氢等离子体的作用下还原NiO，还原时间为0.5-2.5小时，形成Ni纳米金属颗粒,获得MgO纳米带-C纳米管复合材料生长所需的N1-MgO催化体系; 5)通入气体流量为10-200mL/min的碳源气体，在压强为20_1000Pa、衬底温度为300-1000°C条件下，施加射频功率50-500W，反应0.5-4.5个小时，连续生长即可制得MgO纳米带-C纳米管复合材料。
2.根据权利要求1所述MgO纳米带-C纳米管复合材料的制备方法，其特征在于:所述混合溶液中六水合硝酸镍和六水合硝酸镁的摩尔比为10-1:1-10，六水合硝酸镍和六水合硝酸镁的总量与乙醇的用量比为0.l-2mol/Lo
3.根据权利要求1所述MgO纳米带-C纳米管复合材料的制备方法，其特征在于:所述基片为硅、玻璃或石英。
4.根据权利要求1所述MgO纳米带-C纳米管复合材料的制备方法,其特征在于:所述保护气体为氩气或氦气。
5.根据权利要求1所述MgO纳米带-C纳米管复合材料的制备方法，其特征在于:所述碳源气体为甲烷、乙炔或乙烯。
全文摘要
一种MgO纳米带-C纳米管复合材料的制备方法，采用射频等离子体增强CVD系统制备，将六水合硝酸镁、六水合硝酸镍溶于乙醇中，作为催化生长MgO纳米带-C纳米管复合材料的前驱体；将混合溶液均匀滴涂在基片上，置于射频等离子体增强CVD的沉积台上，加热分解形成MgO和NiO，通入保护气体和氢气，使得NiO在氢等离子体作用下被还原为Ni纳米金属颗粒，获得Ni-MgO催化体系；通入碳源气体，在其等离子气氛下生长MgO纳米带-C纳米管复合材料。本发明的优点是制备工艺简单、成本低、合成温度低、产品纯度高，工业化批量生产及应用潜力巨大，在催化剂、生化传感器、微波吸收等光、电、磁、化学领域有广泛的应用前景。
文档编号C01B31/02GK103073033SQ201310028460
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月25日 优先权日2013年1月25日
发明者李明吉, 王秀锋, 李红姬, 狄海荣, 曲长庆 申请人:天津理工大学