碳納米管的石墨電弧法制備

《碳納米管的石墨電弧法制備》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。

1、石墨電弧法：石墨電弧法又稱直流電弧法，是最早用于制備碳納米管的工藝方法。1991年lijima在制備C60過(guò)程中首次通過(guò)電弧放電法得到了CNTs。1992年Ebbesen等對(duì)電弧法制備CNTs進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，制得了克量級(jí)的CNTs，使得這種方法得到廣泛的運(yùn)用。1997年，Journet等人在《自然》雜志上報(bào)道批量合成SWNTs(單壁碳納米管---直徑在0.6-2nm)?，F(xiàn)在我們首先探討SWNTs的制備工藝。大批量、高純度SWNTs的制備設(shè)備同傳統(tǒng)的石墨電弧設(shè)備基本相同（見圖1），但實(shí)驗(yàn)方法和工藝條件有所

2、不同。（圖1）Journet等采用陽(yáng)極為直徑6mm的石墨棒，陰極為直徑16mm的石墨棒。在陽(yáng)極一端鉆內(nèi)徑為3.5mm的小孔，填充金屬混合物和石墨粉末（金屬按x(Y)=1%，x(Ni)=4.2%比例均勻混合在石墨粉末中），或采用含有金屬Ni和Y的復(fù)合電極（金屬按x(Y)=1%，x(Ni)=4.2%比例均勻混合在石墨棒中）。抽真空后，關(guān)閉真空室的真空閥，通入壓力為6.6×10^4Pa的氦氣。接通電源后，通過(guò)調(diào)整陰極與陽(yáng)極之間的距離以產(chǎn)生電弧放電，電流控制在100A，保持兩極間電壓為30V。放電在數(shù)分鐘內(nèi)完成。

3、充分水冷后，收集到以下幾種產(chǎn)物：①在反應(yīng)室內(nèi)壁上可獲得橡膠似的碳灰生成物；②懸掛在反應(yīng)室內(nèi)壁和陰極間的網(wǎng)狀物（不填加Ni或者Y時(shí)，無(wú)網(wǎng)狀物生成）；③陰極端部的圓柱狀沉積物。其制備工藝流程圖如（圖2）。陰陽(yáng)電極：含金屬Ni、Y的復(fù)合電極壓力為6.6×10＾4PaHe抽氣真空關(guān)閉真空室的真空閥通電，電流：100A；兩極電壓：30V時(shí)間：3--5分鐘進(jìn)水，充分冷卻石墨陰極沉積出SWNTs（圖2）除了上述的這種方法制備SWNTs外，還有很多科學(xué)家對(duì)其做出卓越的貢獻(xiàn)。例如，Iilima等嘗試實(shí)驗(yàn)制備SWNTs并成功

4、地制備出直徑分布在0.75—1.6nm、最長(zhǎng)達(dá)700nm的SWNTs。為了進(jìn)一步提高SWNTs的產(chǎn)量和質(zhì)量，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)金屬研究所劉暢、成會(huì)明研究小組開發(fā)了一種有效制備SWNTs的半連續(xù)氫電弧法，設(shè)備示意圖如（圖3）所示，該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以利于碳管的繼續(xù)生成，實(shí)現(xiàn)SWNTs的大批量制備。（圖3）與SWNTs合成相比，制備MWNTs(多壁碳納米管，直徑一般在4nm以上)的影響因素較少，更易于控制。其實(shí)用傳統(tǒng)電弧法制備碳納米管基本都是MWNTs，很少有SWNTs生成?，F(xiàn)用改進(jìn)后的石墨電弧爐來(lái)制備MWNTs，

5、其工藝簡(jiǎn)圖如（圖4）所示。在真空反應(yīng)室中充惰性氣體或氫氣，采用較粗大的石墨棒為陰極，細(xì)石墨棒為陽(yáng)極，在電弧放電過(guò)程中陽(yáng)極石墨棒不斷被消耗，同時(shí)在石墨陰極上沉積出含有MWNTs的產(chǎn)物。電弧比較理想的工藝參數(shù)是：電流150—200A（DC），He氣分壓500Torr(1Torr=133.3Pa)，產(chǎn)率>50%.之后，不少人對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)，例如，Wang認(rèn)為工藝中的惰性氣體在形成碳納米管時(shí)主要起冷卻作用，而氫氣具有更高的導(dǎo)熱率，而且氫可以與碳形成C—H鍵，并能刻蝕非晶碳，因此用氫氣代替惰性氣體，結(jié)果合成了更為純

6、凈的MWNTs。同時(shí)他還發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)MWNTs所需的最低氫氣分壓小于采用He的分壓。為提高M(jìn)WNTs的產(chǎn)率，除了改變上述電弧反應(yīng)條件之外，改變陽(yáng)極組成或直徑，或在石墨電極中添加Y2O3等；在陽(yáng)極石墨中間打洞，然后添加金屬元素，如Fe、Co、Ni、Pt等能有效地提高產(chǎn)率（與上述的Journet的原理相似）。（圖4）MWNTs的高分辨透射電子顯微鏡照片(圖5)電弧法由于設(shè)備較簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟、結(jié)晶度高、制得的CNTs管直等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于制備CNTs。但其也有缺點(diǎn)，實(shí)際制備的碳納米管的管身也并不完全是平直或均勻

7、的，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)，如L型、T型或Y型等。所有這些結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)是由于碳六邊形網(wǎng)格中引入了碳五邊形和碳七邊形所致。另外，由于電弧溫度高達(dá)3000—3700°C,形成的CNTs被燒結(jié)在一起，造成較多缺陷，且易于與其它的副產(chǎn)品、納米微粒等雜質(zhì)也燒結(jié)在一起，對(duì)隨后的分離與提純不利。1JournetC，MasterMK，eta1．Nature，1997，388：7562LiuC，CongHT，LiF，TanPH，ChengHM，LuK，ZhouBL.Semi-continuoussynthesisofsingle

8、-walledcarbonnanotubesbyahydrogenarcdischargemethod.Carbon，1997，37（11）：1865--18683WangXK，LinXK，DravidVP，etal.ApplPhysLett，1995，66（18）：2430