锥形碳纳米管阵列及其制备方法与流程

本发明涉及一种纳米管阵列及制备方法，尤其是一种锥形碳纳米管阵列及其制备方法。

背景技术：

近年来，碳纳米技术的研究相当活跃，多种多样的纳米碳结晶、针状、棒状、桶状等层出不穷，由于碳纳米材料具有许多优异的物理和化学特性，故已被广泛地应用于诸多领域。如题为“carbonnanorodsandgraphene-likenanosheetsbyhotfilamentcvd:growthmechanismsandelectronfieldemission”，mater.chem.c，2013,1,7703-7708(“利用化学气相沉积的方法生长碳纳米棒阵列以及类石墨烯纳米片及其机理和场发射性能研究”，《材料化学杂志c》2013年第1卷第46期第7703-7708页)的文章。该文中提及的碳纳米棒阵列的密度约为2.5×10⁷/mm²个，构成阵列的碳纳米棒的棒长约为270纳米、棒直径约为150纳米；制备方法首先在洁净的硅片上溅射一层金纳米膜，然后利用等离子体增强热丝cvd制备碳纳米棒。这种产物虽可用于高真空条件下的电子场发射和用作纳米器件，却和其制备方法都存在着不足之处，首先，产物的比表面积不够大，限制了应用的场合；其次，产物不是有序排列的碳纳米阵列，制约了应用的范围；再次，制备方法不仅需使用催化剂——金纳米膜，还不能获得比表面积较大和有序排列的产物。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种比表面积较大和有序排列的锥形碳纳米管阵列。

本发明要解决的另一个技术问题为提供一种上述锥形碳纳米管阵列的制备方法。

为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为，锥形碳纳米管阵列由衬底上附有的锥形碳纳米阵列组成，特别是：

所述锥形碳纳米阵列为锥形碳纳米管阵列；

所述锥形碳纳米管阵列的密度为10⁷-10⁹/mm²个锥形碳纳米管；

所述构成锥形碳纳米管阵列的锥形碳纳米管的管长为200-2000nm、锥底管直径为30-200nm。

为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为，上述锥形碳纳米管阵列的制备方法包括阳极氧化法，特别是主要步骤如下：

步骤1，先将铝片置于2-25℃的0.2-0.4mol/l的草酸溶液中于35-45v的直流电压下，或置于0.2-0.4mol/l的硫酸溶液中于20-30v的直流电压下，或置于0.1-0.2mol/l的磷酸溶液中于120-260v的直流电压下阳极氧化至少2h，再将其置于55-65℃下的磷铬酸混合溶液中浸泡至少3h，得到中间产物；

步骤2，先将中间产物置于步骤1中同样温度、同样浓度的相同酸性溶液中，以同样的直流电压下阳极氧化至少20s，再将其置于30-50℃、3-10wt％的磷酸溶液中浸泡至少1min，重复上述过程至少10次，得到孔形为锥形的氧化铝模板；

步骤3，先将孔形为锥形的氧化铝模板置于氩气氛下升温至600-700℃，再将其置于相同温度下的氩气和乙炔的混合气氛中1.8-2.2h后，于相同温度的氩气氛下保温至少0.5h，得到锥形孔中置有碳纳米管的氧化铝模板；

步骤4，先对氧化铝模板锥形孔中的碳纳米管进行固定，再将固定有碳纳米管的氧化铝模板置于氢氧化钠溶液中溶去氧化铝模板，制得锥形碳纳米管阵列。

作为锥形碳纳米管阵列的制备方法的进一步改进：

优选地，磷铬酸混合溶液为6wt％的磷酸和1.8wt％的铬酸的混和溶液。

优选地，升温至600-700℃前，先将孔形为锥形的氧化铝模板置于氩气氛中至少1h。

优选地，氩气氛为流量120sccm的氩气。

优选地，氩气和乙炔的混合气氛为流量120sccm的氩气和流量4sccm的乙炔的混合气体。

优选地，对氧化铝模板锥形孔中的碳纳米管进行固定为使用胶水固定，或胶带固定。

优选地，氢氧化钠溶液的温度为40℃、浓度为3mol/l。

相对于现有技术的有益效果是：

其一，对制得的目的产物使用扫描电镜进行表征，由其结果并结合制备方法可知，目的产物为衬底上附有锥形碳纳米管阵列；其中，锥形碳纳米管阵列的密度为10⁷-10⁹/mm²个锥形碳纳米管，构成锥形碳纳米管阵列的锥形碳纳米管的管长为200-2000nm、锥底管直径为30-200nm。这种由锥形碳纳米管组装成的目的产物，既由于碳纳米材料的特质，又因碳纳米材料为碳纳米管，还由于碳纳米管为有序排列的阵列，而极大地提升了目的产物的比表面积和应用的场合与范围。

其二，制备方法简单、科学、有效。不仅制得了比表面积较大和有序排列的目的产物——锥形碳纳米管阵列；还不需使用催化剂，更有着制作便捷、易于大面积制备产物和成本低的特点；进而使目的产物极易于广泛地商业化应用于纳米电子器件、场发射与平板显示以及传感器的制作等领域。

附图说明

图1是对制备过程中获得的锥形孔中置有碳纳米管的氧化铝模板使用扫描电镜(sem)进行表征的结果之一。图1中的a图为锥形孔中置有碳纳米管的氧化铝模板的平面sem图像，b图为锥形孔中置有碳纳米管的氧化铝模板的横截面sem图像。

图2是对制备方法制得的目的产物使用扫描电镜进行表征的结果之一。图2中的a图和b图为目的产物的平面sem图像，c图为目的产物倾斜45度时的sem图像，d图为目的产物的横截面的sem图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。

首先从市场购得或自行制得：

铝片；

草酸溶液；

硫酸溶液；

磷酸溶液；

磷铬酸混合溶液，其为6wt％的磷酸和1.8wt％的铬酸的混和溶液；

氩气；

乙炔；

氢氧化钠溶液；

胶水和胶带。

接着：

实施例1

制备的具体步骤为：

步骤1，先将铝片置于2℃的0.2mol/l的草酸溶液中于45v的直流电压下，或置于0.2mol/l的硫酸溶液中于30v的直流电压下，或置于0.1mol/l的磷酸溶液中于260v的直流电压下阳极氧化2h。再将其置于55℃下的磷铬酸混合溶液中浸泡5h，得到中间产物。

步骤2，先将中间产物置于步骤1中同样温度、同样浓度的相同酸性溶液中，以同样的直流电压下阳极氧化20s；再将其置于30℃、3wt％的磷酸溶液中浸泡5min，重复上述过程10次，得到孔形为锥形的氧化铝模板。

步骤3，先将孔形为锥形的氧化铝模板置于流量为120sccm的氩气氛中1h后，升温至600℃。再将其置于相同温度下的氩气和乙炔的混合气氛中2.2h后，于相同温度的流量为120sccm的氩气氛下保温0.5h；其中，氩气和乙炔的混合气氛为流量120sccm的氩气和流量4sccm的乙炔的混合气体，得到如图1所示的锥形孔中置有碳纳米管的氧化铝模板。

步骤4，先对氧化铝模板锥形孔中的碳纳米管使用胶水或胶带进行固定。再将固定有碳纳米管的氧化铝模板置于温度为40℃、浓度为3mol/l的氢氧化钠溶液中溶去氧化铝模板，制得近似于图2所示的锥形碳纳米管阵列。

实施例2

制备的具体步骤为：

步骤1，先将铝片置于8℃的0.25mol/l的草酸溶液中于43v的直流电压下，或置于0.25mol/l的硫酸溶液中于28v的直流电压下，或置于0.13mol/l的磷酸溶液中于225v的直流电压下阳极氧化2.5h。再将其置于58℃下的磷铬酸混合溶液中浸泡4.5h，得到中间产物。

步骤2，先将中间产物置于步骤1中同样温度、同样浓度的相同酸性溶液中，以同样的直流电压下阳极氧化30s；再将其置于35℃、5wt％的磷酸溶液中浸泡4min，重复上述过程13次，得到孔形为锥形的氧化铝模板。

步骤3，先将孔形为锥形的氧化铝模板置于流量为120sccm的氩气氛中1.3h后，升温至630℃。再将其置于相同温度下的氩气和乙炔的混合气氛中2.1h后，于相同温度的流量为120sccm的氩气氛下保温0.6h；其中，氩气和乙炔的混合气氛为流量120sccm的氩气和流量4sccm的乙炔的混合气体，得到如图1所示的锥形孔中置有碳纳米管的氧化铝模板。

步骤4，先对氧化铝模板锥形孔中的碳纳米管使用胶水或胶带进行固定。再将固定有碳纳米管的氧化铝模板置于温度为40℃、浓度为3mol/l的氢氧化钠溶液中溶去氧化铝模板，制得近似于图2所示的锥形碳纳米管阵列。

实施例3

制备的具体步骤为：

步骤1，先将铝片置于13℃的0.3mol/l的草酸溶液中于40v的直流电压下，或置于0.3mol/l的硫酸溶液中于25v的直流电压下，或置于0.15mol/l的磷酸溶液中于190v的直流电压下阳极氧化3h。再将其置于60℃下的磷铬酸混合溶液中浸泡4h，得到中间产物。

步骤2，先将中间产物置于步骤1中同样温度、同样浓度的相同酸性溶液中，以同样的直流电压下阳极氧化40s；再将其置于40℃、7wt％的磷酸溶液中浸泡3min，重复上述过程15次，得到孔形为锥形的氧化铝模板。

步骤3，先将孔形为锥形的氧化铝模板置于流量为120sccm的氩气氛中1.5h后，升温至650℃。再将其置于相同温度下的氩气和乙炔的混合气氛中2h后，于相同温度的流量为120sccm的氩气氛下保温0.7h；其中，氩气和乙炔的混合气氛为流量120sccm的氩气和流量4sccm的乙炔的混合气体，得到如图1所示的锥形孔中置有碳纳米管的氧化铝模板。

步骤4，先对氧化铝模板锥形孔中的碳纳米管使用胶水或胶带进行固定。再将固定有碳纳米管的氧化铝模板置于温度为40℃、浓度为3mol/l的氢氧化钠溶液中溶去氧化铝模板，制得如图2所示的锥形碳纳米管阵列。

实施例4

制备的具体步骤为：

步骤1，先将铝片置于19℃的0.35mol/l的草酸溶液中于38v的直流电压下，或置于0.35mol/l的硫酸溶液中于23v的直流电压下，或置于0.18mol/l的磷酸溶液中于155v的直流电压下阳极氧化3.5h。再将其置于63℃下的磷铬酸混合溶液中浸泡3.5h，得到中间产物。

步骤2，先将中间产物置于步骤1中同样温度、同样浓度的相同酸性溶液中，以同样的直流电压下阳极氧化50s；再将其置于45℃、9wt％的磷酸溶液中浸泡2min，重复上述过程18次，得到孔形为锥形的氧化铝模板。

步骤3，先将孔形为锥形的氧化铝模板置于流量为120sccm的氩气氛中1.8h后，升温至680℃。再将其置于相同温度下的氩气和乙炔的混合气氛中1.9h后，于相同温度的流量为120sccm的氩气氛下保温0.8h；其中，氩气和乙炔的混合气氛为流量120sccm的氩气和流量4sccm的乙炔的混合气体，得到如图1所示的锥形孔中置有碳纳米管的氧化铝模板。

步骤4，先对氧化铝模板锥形孔中的碳纳米管使用胶水或胶带进行固定。再将固定有碳纳米管的氧化铝模板置于温度为40℃、浓度为3mol/l的氢氧化钠溶液中溶去氧化铝模板，制得近似于图2所示的锥形碳纳米管阵列。

实施例5

制备的具体步骤为：

步骤1，先将铝片置于25℃的0.4mol/l的草酸溶液中于35v的直流电压下，或置于0.4mol/l的硫酸溶液中于20v的直流电压下，或置于0.2mol/l的磷酸溶液中于120v的直流电压下阳极氧化4h。再将其置于65℃下的磷铬酸混合溶液中浸泡3h，得到中间产物。

步骤2，先将中间产物置于步骤1中同样温度、同样浓度的相同酸性溶液中，以同样的直流电压下阳极氧化60s；再将其置于50℃、10wt％的磷酸溶液中浸泡1min，重复上述过程20次，得到孔形为锥形的氧化铝模板。

步骤3，先将孔形为锥形的氧化铝模板置于流量为120sccm的氩气氛中2h后，升温至700℃。再将其置于相同温度下的氩气和乙炔的混合气氛中1.8h后，于相同温度的流量为120sccm的氩气氛下保温1h；其中，氩气和乙炔的混合气氛为流量120sccm的氩气和流量4sccm的乙炔的混合气体，得到如图1所示的锥形孔中置有碳纳米管的氧化铝模板。

步骤4，先对氧化铝模板锥形孔中的碳纳米管使用胶水或胶带进行固定。再将固定有碳纳米管的氧化铝模板置于温度为40℃、浓度为3mol/l的氢氧化钠溶液中溶去氧化铝模板，制得近似于图2所示的锥形碳纳米管阵列。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的锥形碳纳米管阵列及其制备方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。