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各种碳纳米管的宏量制备方法大合集!


来源:中国粉体网   江岸

[导读]  实现碳纳米管的各种应用, 首先要实现结构和性能可控的碳纳米管批量制备,而宏量制备的核心是在缓和的条件下获得高质量、高纯度的碳纳米管。接下来我们将介绍几种碳纳米管的宏量制备。

 中国粉体网讯  实现碳纳米管的各种应用, 首先要实现结构和性能可控的碳纳米管批量制备,而宏量制备的核心是在缓和的条件下获得高质量、高纯度的碳纳米管。接下来我们将介绍几种碳纳米管的宏量制备。


单壁碳纳米管的宏量制备


在诸多单壁碳纳米管生产工艺中, 电弧放电和激光烧蚀法可得到高质量、少缺陷的单壁碳纳米管,但受限于设备和产量,因此CVD法是单壁碳纳米管可控制备最方便、经济的方法。清华大学魏飞教授等人采用独特结构且可流化催化剂实现流化床中单壁碳纳米管大量制备。在CVD法中,纳米金属Fe颗粒是批量制备单壁碳纳米管广泛采用的催化剂。


双壁碳纳米管的宏量制备


双壁碳纳米管是由两层石墨烯卷曲形成,具有较好的金属及半导体性质。双壁碳纳米管的制备在催化剂体系、反应温度、气氛和操作条件等方面更接近单壁碳纳米管制备方法。采用石墨电弧或者CVD法均能有效地选择性制备双壁碳纳米管。相比单壁碳纳米管催化剂, 双壁碳纳米管生长所需催化剂粒度更大。提高负载型催化剂活性金属含量可将单壁碳纳米管催化剂改性为双壁碳纳米管催化剂。


多壁碳纳米管的宏量制备


多壁碳纳米管指管壁数大于2的纳米碳管,常用的宏量制备方法是CVD 法。在多壁碳纳米管的CVD法宏量制备中, 过渡金属催化剂, 特别是Fe, Co和Ni, 在生长碳纳米管的过程中具有极好的催化活性。一般,多壁碳纳米管批量制备往往在粉末状催化剂上进行, 生成三维网状结构的碳纳米管聚团结构。流化床法得到的多壁碳纳米管呈现聚团形貌,经过压缩可以形成粉体或者块体;如果采用浮游催化剂方法,可得到由多壁碳纳米管形成的疏松的碳纳米管海绵结构。


定向碳纳米管的宏量制备


垂直定向碳纳米管是取向垂直于基板高密度生长的碳纳米管,壁数可从单壁到几十层,长度从几十纳米到几厘米,与聚团碳纳米管相比,定向垂直生长的碳纳米管具有一致的取向、超高的纯度、极大的长径比和较好的一致性等突出特性。对大批量碳纳米管精确控制其生长和排列,激光烧蚀和电弧放电法两种方法并不适用,因而CVD法在定向制备碳纳米管中具有极大优势。定向碳纳米管阵列的批量制备策略:


1. 借鉴工业流水线概念,进行标准制程流水操作,获得大批量定向碳纳米管。

2. 借鉴化学工程的概念,将平整的基板曲面化,将间歇操作转变为连续操作,从而实现垂直定向碳纳米管的连续化批量高效制备。



超顺排碳纳米管的宏量制备


超顺排碳纳米管是指取向高度一致、曲折因子小、直径均匀、可直接抽丝成膜的碳纳米管,形成关键在于获得高密度、颗粒尺寸均匀的纳米金属催化剂。通过镀膜+CVD技术可实现超顺排碳纳米管的宏量制备,此外采用浮游催化剂过程也可以制备出超顺排碳纳米管阵列,且该过程连续性较好,便于超顺排碳纳米管阵列的批量制备。


超长碳纳米管的宏量制备


碳纳米管可控地合成和组装成水平阵列结构是实现大规模集成电路的先决条件。通过调变基板表面的亲/疏水特性、电磁相互作用和化学键等特性,可实现碳纳米管液相可控有序沉积。为避免液相污染和水平阵列碳管位置的精确控制,可在基板表面利用电场、磁场、气流和基板表面取向进行CVD定向水平生长获得水平定向碳纳米管。


特种碳纳米管的宏量制备


特种碳纳米管指具有一维管状特征,但其形貌和性能不同于石墨烯卷曲形成的一维碳纳米管。特种碳纳米管种类很多,其代表形貌包括竹节状、鱼骨状、碟片状、杯叠状、螺旋状、掺杂碳纳米管、碳纳米管结、大空腔碳纳米管和表面官能团化碳纳米管等。不同结构的碳纳米管所需要的工艺有所区别,但总体一致。


参考资料:

张强,碳纳米管的宏量制备及产业化

王浩然,碳纳米管及其应用

秦秀兰,碳纳米管的制备研究

向三明,碳纳米管的制备、改性以及应用研究进展


(中国粉体网编辑整理/江岸)

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