专利名称：一种采用石油醚为原料制备碳纳米管的方法
技术领域：
本发明涉及一种制备碳纳米管的方法，特别涉及一种以石油醚为原料制备碳纳米管的方法。
背景技术：
1985年，Smalley发现了富勒烯C6tl，独特的结构QO个正六边形和12个正五边形组成球形结构)使其成为了继金刚石和石墨之后的又一种碳的同素异形体。而1991年 IIijima对碳纳米管的发现使我们对碳材料的认识和研究进入了一个全新的阶段。碳纳米管是一种形貌独特，电子和机械性能良好的纳米材料。一般情况下，根据管的层数可以将其分为单壁和多壁碳纳米管。在单壁碳纳米管中，根据碳原子的排布导致电子学性能的变化，又可以将其分为半导体和导体碳纳米管两种；而多壁碳纳米管的电子学性能，由于层与层之间的差异使其整体的电子学性能更加复杂。另外，碳纳米管还有良好的机械性能通常情况下，单壁碳纳米管的机械强度约为IIPa ；而多壁碳纳米管的机械强度在X 10 范围内。因此，碳纳米管的应用比较广泛，包括纳米半导体电子器件、探针，场发射显示器，高强度导电复合材料和储氢材料等等。目前碳纳米管的制备方法主要分为三种电弧放电法，激光蒸发法和化学气相沉积法。其中，化学气相沉积法是一种应用广泛的制备方法。通常情况下，这种方法是以气体为原料，比如甲烷、乙炔，在一定的气压、高温、催化剂催化的条件下合成碳纳米管的。但是由于高纯气体种类单一，价格较高，使得碳纳米管的制备受到了一定的限制。
发明内容
本发明目的是在于提供一种以石油醚为原料制备碳纳米管的方法。石油醚是一种液体有机混合物，主要由烃类物质组成，属于轻质石油产品。通常情况下，根据沸程的不同(30-60°C，60-9(TC，90-12(rC )分为不同等级的产品。沸程在 30-60°C的产品主要是由戊烷，己烷组成。这种产品价格便宜，容易挥发，汽化后可以像气体一样使用，是一种较好的制备碳纳米管的替代原料。特别值得关注的是，石油醚作为一种液体原料有利于存放，适合不同环境、规模的制备，也有利于加入含其它元素的液体有机物 (比如，含氮或硅元素)对碳纳米管进行掺杂。本发明首先采用电子束蒸镀的方法在硅基底上制备铁催化膜，然后采用化学气相沉积法制备碳纳米管。一种采用石油醚为原料制备碳纳米管的方法，其特征在于该方法依次通过下列步骤来实现A采用电子束蒸镀的方法在硅基底上制备铁催化膜将经过丙酮超声清洗的硅片和铁靶放入电子束镀膜机的真空腔内，抽真空，当气压10_4Pa时开启电子束电源，蒸镀20-40nm的铁膜；B采用化学气相沉积法在步骤(1)得到的硅片上制备碳纳米管
将镀过铁膜的硅片放入管式化学气相沉积设备的腔体中，抽真空，当气压达到10_2Pa时，通入氩气并将腔体温度升高到600-1000°C并保持稳定；然后将石油醚以 10-100 μ 1/min的速度加入60°C的汽化装置中，汽化后随氩气通入腔内，反应5-lOmin后停止，在氩气的保护下冷却到室温得到碳纳米管。本发明采用的石油醚的沸点为30-60°C。本发明以铁作为催化剂的，它只需要加热到600-1000°C就可以将石油醚催化石墨化从而形成碳纳米管，不需要其它条件的辅助，比如磁场(镍等元素作为催化剂时)。本发明以廉价的石油产品石油醚为原料，通过化学气相沉积技术制备出了碳纳米管。我们使用了液体原料，可以减少气体质量流量计的使用，直接通过液体的加入量来控制反应所需的原料的多少。虽然液体石油醚作为原料需要汽化(60°C)，但是这种原料相对与苯、甲苯等有机物作为原料需要的汽化温度低(> 120°C)，而且对人体的毒性较小。这种液体原料相对于其它气体、液体原料来说所需的反应温度几乎没有什么差别。特别值得注意的是石油醚是一种有机溶剂，可以用来溶解有机物，因此这种液体原料相对于气体来说便于碳纳米管的参杂，从而得到含有其它元素(比如含C13、氮、硅等元素)碳纳米管，或者各种不同成分的异质接。此外，这种方法成本较低，工艺简单，得到的碳纳米管取向生长，也可以广泛地应用于电子器件、场发射器、储氢以及高强度导电复合材料中。
图1本发明所制备的取向生长碳纳米管的扫描电子显微镜照片。图2本发明所制备的管径均勻的碳纳米管的透射电子显微镜照片。
具体实施例方式为了更好的理解本发明，通过以下实施例进行说明。实施例1 将丙酮超声清洗过的硅片和铁靶放入电子束镀膜机的真空腔内，抽真空，当气压 IO^4Pa时开启电子束电源，蒸镀20-40nm的铁膜。将镀过铁膜的硅片放入管式化学气相沉积设备的腔体中，抽真空，当气压达到KT2Pa时，通入氩气并将腔体温度升高到800°C并保持稳定；然后将石油醚(沸点 30-600C )以30μ 1/min的速度加入60°C的汽化装置中，汽化后随氩气通入腔内，反应 5-lOmin后停止，在氩气的保护下冷却到室温得到碳纳米管。图1所示的扫描电子显微镜结果表明，碳纳米管在生长中虽然发生了卷曲和缠绕，但是整体上是取向生长的。如果不考虑卷曲，其生长速度大约在5. 4 μ m/min。图2所示，透射电子显微镜的结果表明碳纳米管管径均一，约为10-30nm。
权利要求
1.一种采用石油醚为原料制备碳纳米管的方法，其特征在于该方法依次通过下列步骤来实现A采用电子束蒸镀的方法在硅基底上制备铁催化膜将丙酮超声清洗过的硅片和铁靶放入电子束镀膜机的真空腔内，抽真空，当气压10_4Pa 时开启电子束电源，蒸镀20-40nm的铁膜；B采用化学气相沉积法在步骤(1)得到的硅片上制备碳纳米管将镀过铁膜的硅片放入管式化学气相沉积设备的腔体中，抽真空，当气压达到10’a 时，通入氩气并将腔体温度升高到600-1000°C并保持稳定；然后将石油醚以10-100μ 1/ min的速度加入60°C的汽化装置中，汽化后随氩气通入腔内，反应5-lOmin后停止，在氩气的保护下冷却到室温得到碳纳米管。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于石油醚的沸点为30-60°C。
全文摘要
本发明公开了一种采用石油醚为原料制备碳纳米管的方法。该方法首先采用电子束蒸镀的方法在硅基底上制备铁催化膜，然后采用化学气相沉积法制备碳纳米管。本发明成本较低，工艺简单，得到的碳纳米管取向生长，也可以广泛地应用于电子器件、场发射器、储氢以及高强度导电复合材料中。
文档编号C01B31/02GK102249211SQ20101017679
公开日2011年11月23日 申请日期2010年5月18日 优先权日2010年5月18日
发明者张俊彦, 王富国 申请人:中国科学院兰州化学物理研究所