各種碳納米管的宏量製備方法大合集

2020-09-04 中國粉體網

實現碳納米管的各種應用, 首先要實現結構和性能可控的碳納米管批量製備，而宏量製備的核心是在緩和的條件下獲得高質量、高純度的碳納米管。接下來我們將介紹幾種碳納米管的宏量製備。



單壁碳納米管的宏量製備


在諸多單壁碳納米管生產工藝中, 電弧放電和雷射燒蝕法可得到高質量、少缺陷的單壁碳納米管，但受限於設備和產量，因此CVD法是單壁碳納米管可控制備最方便、經濟的方法。清華大學魏飛教授等人採用獨特結構且可流化催化劑實現流化床中單壁碳納米管大量製備。在CVD法中，納米金屬Fe顆粒是批量製備單壁碳納米管廣泛採用的催化劑。


雙壁碳納米管的宏量製備


雙壁碳納米管是由兩層石墨烯捲曲形成，具有較好的金屬及半導體性質。雙壁碳納米管的製備在催化劑體系、反應溫度、氣氛和操作條件等方面更接近單壁碳納米管制備方法。採用石墨電弧或者CVD法均能有效地選擇性製備雙壁碳納米管。相比單壁碳納米管催化劑, 雙壁碳納米管生長所需催化劑粒度更大。提高負載型催化劑活性金屬含量可將單壁碳納米管催化劑改性為雙壁碳納米管催化劑。


多壁碳納米管的宏量製備


多壁碳納米管指管壁數大於2的納米碳管，常用的宏量製備方法是CVD 法。在多壁碳納米管的CVD法宏量製備中, 過渡金屬催化劑, 特別是Fe, Co和Ni, 在生長碳納米管的過程中具有極好的催化活性。一般，多壁碳納米管批量製備往往在粉末狀催化劑上進行, 生成三維網狀結構的碳納米管聚團結構。流化床法得到的多壁碳納米管呈現聚團形貌，經過壓縮可以形成粉體或者塊體；如果採用浮遊催化劑方法，可得到由多壁碳納米管形成的疏鬆的碳納米管海綿結構。


定向碳納米管的宏量製備


垂直定向碳納米管是取向垂直於基板高密度生長的碳納米管，壁數可從單壁到幾十層，長度從幾十納米到幾釐米，與聚團碳納米管相比，定向垂直生長的碳納米管具有一致的取向、超高的純度、極大的長徑比和較好的一致性等突出特性。對大批量碳納米管精確控制其生長和排列，雷射燒蝕和電弧放電法兩種方法並不適用，因而CVD法在定向製備碳納米管中具有極大優勢。定向碳納米管陣列的批量製備策略：


1. 借鑑工業流水線概念，進行標準製程流水操作，獲得大批量定向碳納米管。

2. 借鑑化學工程的概念，將平整的基板曲面化，將間歇操作轉變為連續操作，從而實現垂直定向碳納米管的連續化批量高效製備。


超順排碳納米管的宏量製備


超順排碳納米管是指取向高度一致、曲折因子小、直徑均勻、可直接抽絲成膜的碳納米管，形成關鍵在於獲得高密度、顆粒尺寸均勻的納米金屬催化劑。通過鍍膜+CVD技術可實現超順排碳納米管的宏量製備，此外採用浮遊催化劑過程也可以製備出超順排碳納米管陣列，且該過程連續性較好，便於超順排碳納米管陣列的批量製備。


超長碳納米管的宏量製備


碳納米管可控地合成和組裝成水平陣列結構是實現大規模集成電路的先決條件。通過調變基板表面的親/疏水特性、電磁相互作用和化學鍵等特性，可實現碳納米管液相可控有序沉積。為避免液相汙染和水平陣列碳管位置的精確控制，可在基板表面利用電場、磁場、氣流和基板表面取向進行CVD定向水平生長獲得水平定向碳納米管。


特種碳納米管的宏量製備


特種碳納米管指具有一維管狀特徵，但其形貌和性能不同於石墨烯捲曲形成的一維碳納米管。特種碳納米管種類很多，其代表形貌包括竹節狀、魚骨狀、碟片狀、杯疊狀、螺旋狀、摻雜碳納米管、碳納米管結、大空腔碳納米管和表面官能團化碳納米管等。不同結構的碳納米管所需要的工藝有所區別，但總體一致。


參考資料：

張強，碳納米管的宏量製備及產業化

王浩然，碳納米管及其應用

秦秀蘭，碳納米管的製備研究

向三明，碳納米管的製備、改性以及應用研究進展


（中國粉體網編輯整理/江岸）

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