NaLi基催化劑化學(xué)氣相沉積碳納米管陣列的研究

張永恒

摘 要：該研究采用Na/Li基催化劑，乙炔為碳源，在600，650 ℃化學(xué)氣相沉積碳納米管陣列。結(jié)果表明Na：Li的比例，前軀體的種類和沉積溫度對(duì)碳納米管陣列的形貌和取向有較大影響。

關(guān)鍵詞：Na/Li 催化劑 碳納米管陣列 化學(xué)氣相沉積

中圖分類號(hào)：TB383 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）11（c）-0019-01

碳納米管和碳納米管陣列具有優(yōu)異的電，機(jī)械，化學(xué)等性能。它們?cè)趫?chǎng)發(fā)射，電磁屏蔽，電化學(xué)等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。碳納米管的制備方法主要是采用金屬催化劑如鐵，鈷，鎳等和各種碳源如乙炔，苯。然而，金屬催化劑的使用使反應(yīng)產(chǎn)物的提純變得復(fù)雜。該研究采用堿金屬化合物做為催化劑，乙炔為碳源制備碳納米管陣列。此陣列的優(yōu)點(diǎn)是與基體有較好的結(jié)合力，陣列中的碳納米管直徑較大。

1 實(shí)驗(yàn)部分

原料是分析純的Na2CO3，LiCl和Li2CO3。催化劑的制備是按Na：Li的原子比為5∶1和1∶1分別稱取一定質(zhì)量的Na2CO3/LiCl和Na2CO3/Li2CO3，放進(jìn)研缽研磨成細(xì)小的顆粒，加入適量蒸餾水調(diào)成糊狀，備用。將制備好的膏狀催化劑盡量涂均勻涂在硅片上。用鑷子將涂好的硅片依次放入玻璃管中，記準(zhǔn)各個(gè)硅片的相對(duì)位置。把裝有硅片的玻璃管放入管式爐中。將管式爐加熱到650 ℃后，通氬氣30 min，氣流速度為300 mL/min。然后將爐溫調(diào)到600 ℃，650 ℃關(guān)掉氬氣并以200 mL/min通入乙炔，1 h后關(guān)掉乙炔，通入氬氣以防降溫時(shí)樣品被氧化。當(dāng)爐溫降至50 ℃以下將樣品取出放入試樣袋。沉積產(chǎn)物用掃描電子顯微鏡（日本電子公司JSM-6700F）觀察形貌。

2 結(jié)果與討論

使用Na2CO3/LiCl 混合催化劑，Na：Li為1∶1，5∶1時(shí)，600和650 ℃沉積的產(chǎn)物形貌如圖1所示。從圖1a中可以看出當(dāng)催化劑成份為Na：Li=1：1時(shí)，600 ℃時(shí)沉積的產(chǎn)物主要為不規(guī)則的碳顆粒，這些碳顆粒相互粘結(jié)，有很少的纖維生成。圖1b顯示650 ℃時(shí)沉積產(chǎn)物主要為直徑約為100 nm取向較好的碳納米管，碳納米管具有頂端封口結(jié)構(gòu)。碳納米管的直徑較均勻。圖1c顯示當(dāng)催化劑成份為Na：Li=5∶1，600 ℃沉積產(chǎn)物為50 nm左右的碳納米管陣列，但長(zhǎng)度較短，碳納米管陣列取向較好。圖1d顯示650 ℃沉積的是直徑約為80 nm的碳納米管陣列，長(zhǎng)度較長(zhǎng)。研究還發(fā)現(xiàn)這些碳納米管在根部有很大程度的纏繞。這說明碳納米管雖然緊密纏繞但仍然保持了獨(dú)立的生長(zhǎng)過程。

使用Na2CO3/Li2CO3催化劑，Na∶Li為1∶1，5∶1時(shí)，600和650℃沉積的產(chǎn)物形貌如圖2所示。從圖2a中可以看出當(dāng)催化劑成份為Na∶Li=1∶1時(shí)，反應(yīng)溫度為600 ℃時(shí)的沉積產(chǎn)物為直徑約300 nm的短纖維。雖然從掃描電鏡觀察不到是管狀結(jié)構(gòu)，但從前期研究結(jié)果預(yù)測(cè)是碳納米管，并且頂端是封口的。圖2b顯示當(dāng)反應(yīng)溫度為650 ℃，催化劑成份為Na∶Li=1∶1時(shí)，沉積的碳納米管直徑均勻約為200 nm，取向非常好。照片清楚的顯示碳納米管的開口結(jié)構(gòu)。圖2c顯示當(dāng)催化劑成分為Na∶Li=5∶1，反應(yīng)溫度為600 ℃時(shí)的沉積產(chǎn)物是直徑約為100 nm的碳納米管并且頂端是開口的。這些碳納米管直徑較均勻并且取向較好。同時(shí)，圖中可以看出覆蓋在碳納米管上的催化劑。很顯然，這些催化劑是吸潮后流動(dòng)到碳納米管頂部的。圖2d顯示當(dāng)反應(yīng)溫度為650 ℃時(shí)，沉積的碳納米管直徑約200 nm，有的開口，有的是閉口，有的是尖端結(jié)構(gòu)。碳納米管取向不是很理想。通過對(duì)碳納米管根部觀察，碳納米管在根部相互連接形成一層碳膜結(jié)構(gòu)。前期研究表明是這些碳膜把碳納米管連接成一個(gè)整體。

3 結(jié)語(yǔ)

該研究采用了創(chuàng)新性的堿金屬化合物催化劑，化學(xué)氣相沉積碳管陣列。研究結(jié)果表明Na/Li復(fù)合催化劑的比例及其前軀體種類和反應(yīng)溫度都對(duì)產(chǎn)物的形貌有較大影響。反應(yīng)溫度的提高有助于碳納米管的生長(zhǎng)和取向。Na2CO3/LiCl催化劑制備的碳納米管直徑較細(xì)，約50～100nm，但取向一般和頂端閉口結(jié)構(gòu)。Na2CO3/Li2CO3催化劑制備的碳納米管直徑較大約150～200nm，但取向較好和頂端開孔的結(jié)構(gòu)。

致謝：作者感謝國(guó)家自然科學(xué)基金對(duì)此研究的資助（項(xiàng)目號(hào)：51172114， 51372126）。

參考文獻(xiàn)

[1] 魏飛，張強(qiáng)，騫偉中，等.碳納米管陣列研究進(jìn)展[J].新型炭材料，2007，22（3）：271-282.

[2] W.Z.Li，S.S.Xie，L.X.Qian.Large—Scale Synthesis of Aligned Carbon Nanotubes[J].Science，1996，274（5293）：1701-1703.

[3] 盛雷梅，范守善.金屬基底上定向碳納米管陣列的生長(zhǎng)及其場(chǎng)發(fā)射性質(zhì)[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，25（4）：249-251.endprint

摘 要：該研究采用Na/Li基催化劑，乙炔為碳源，在600，650 ℃化學(xué)氣相沉積碳納米管陣列。結(jié)果表明Na：Li的比例，前軀體的種類和沉積溫度對(duì)碳納米管陣列的形貌和取向有較大影響。

關(guān)鍵詞：Na/Li 催化劑 碳納米管陣列 化學(xué)氣相沉積

中圖分類號(hào)：TB383 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）11（c）-0019-01

碳納米管和碳納米管陣列具有優(yōu)異的電，機(jī)械，化學(xué)等性能。它們?cè)趫?chǎng)發(fā)射，電磁屏蔽，電化學(xué)等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。碳納米管的制備方法主要是采用金屬催化劑如鐵，鈷，鎳等和各種碳源如乙炔，苯。然而，金屬催化劑的使用使反應(yīng)產(chǎn)物的提純變得復(fù)雜。該研究采用堿金屬化合物做為催化劑，乙炔為碳源制備碳納米管陣列。此陣列的優(yōu)點(diǎn)是與基體有較好的結(jié)合力，陣列中的碳納米管直徑較大。

1 實(shí)驗(yàn)部分

原料是分析純的Na2CO3，LiCl和Li2CO3。催化劑的制備是按Na：Li的原子比為5∶1和1∶1分別稱取一定質(zhì)量的Na2CO3/LiCl和Na2CO3/Li2CO3，放進(jìn)研缽研磨成細(xì)小的顆粒，加入適量蒸餾水調(diào)成糊狀，備用。將制備好的膏狀催化劑盡量涂均勻涂在硅片上。用鑷子將涂好的硅片依次放入玻璃管中，記準(zhǔn)各個(gè)硅片的相對(duì)位置。把裝有硅片的玻璃管放入管式爐中。將管式爐加熱到650 ℃后，通氬氣30 min，氣流速度為300 mL/min。然后將爐溫調(diào)到600 ℃，650 ℃關(guān)掉氬氣并以200 mL/min通入乙炔，1 h后關(guān)掉乙炔，通入氬氣以防降溫時(shí)樣品被氧化。當(dāng)爐溫降至50 ℃以下將樣品取出放入試樣袋。沉積產(chǎn)物用掃描電子顯微鏡（日本電子公司JSM-6700F）觀察形貌。

2 結(jié)果與討論

使用Na2CO3/LiCl 混合催化劑，Na：Li為1∶1，5∶1時(shí)，600和650 ℃沉積的產(chǎn)物形貌如圖1所示。從圖1a中可以看出當(dāng)催化劑成份為Na：Li=1：1時(shí)，600 ℃時(shí)沉積的產(chǎn)物主要為不規(guī)則的碳顆粒，這些碳顆粒相互粘結(jié)，有很少的纖維生成。圖1b顯示650 ℃時(shí)沉積產(chǎn)物主要為直徑約為100 nm取向較好的碳納米管，碳納米管具有頂端封口結(jié)構(gòu)。碳納米管的直徑較均勻。圖1c顯示當(dāng)催化劑成份為Na：Li=5∶1，600 ℃沉積產(chǎn)物為50 nm左右的碳納米管陣列，但長(zhǎng)度較短，碳納米管陣列取向較好。圖1d顯示650 ℃沉積的是直徑約為80 nm的碳納米管陣列，長(zhǎng)度較長(zhǎng)。研究還發(fā)現(xiàn)這些碳納米管在根部有很大程度的纏繞。這說明碳納米管雖然緊密纏繞但仍然保持了獨(dú)立的生長(zhǎng)過程。

使用Na2CO3/Li2CO3催化劑，Na∶Li為1∶1，5∶1時(shí)，600和650℃沉積的產(chǎn)物形貌如圖2所示。從圖2a中可以看出當(dāng)催化劑成份為Na∶Li=1∶1時(shí)，反應(yīng)溫度為600 ℃時(shí)的沉積產(chǎn)物為直徑約300 nm的短纖維。雖然從掃描電鏡觀察不到是管狀結(jié)構(gòu)，但從前期研究結(jié)果預(yù)測(cè)是碳納米管，并且頂端是封口的。圖2b顯示當(dāng)反應(yīng)溫度為650 ℃，催化劑成份為Na∶Li=1∶1時(shí)，沉積的碳納米管直徑均勻約為200 nm，取向非常好。照片清楚的顯示碳納米管的開口結(jié)構(gòu)。圖2c顯示當(dāng)催化劑成分為Na∶Li=5∶1，反應(yīng)溫度為600 ℃時(shí)的沉積產(chǎn)物是直徑約為100 nm的碳納米管并且頂端是開口的。這些碳納米管直徑較均勻并且取向較好。同時(shí)，圖中可以看出覆蓋在碳納米管上的催化劑。很顯然，這些催化劑是吸潮后流動(dòng)到碳納米管頂部的。圖2d顯示當(dāng)反應(yīng)溫度為650 ℃時(shí)，沉積的碳納米管直徑約200 nm，有的開口，有的是閉口，有的是尖端結(jié)構(gòu)。碳納米管取向不是很理想。通過對(duì)碳納米管根部觀察，碳納米管在根部相互連接形成一層碳膜結(jié)構(gòu)。前期研究表明是這些碳膜把碳納米管連接成一個(gè)整體。

3 結(jié)語(yǔ)

該研究采用了創(chuàng)新性的堿金屬化合物催化劑，化學(xué)氣相沉積碳管陣列。研究結(jié)果表明Na/Li復(fù)合催化劑的比例及其前軀體種類和反應(yīng)溫度都對(duì)產(chǎn)物的形貌有較大影響。反應(yīng)溫度的提高有助于碳納米管的生長(zhǎng)和取向。Na2CO3/LiCl催化劑制備的碳納米管直徑較細(xì)，約50～100nm，但取向一般和頂端閉口結(jié)構(gòu)。Na2CO3/Li2CO3催化劑制備的碳納米管直徑較大約150～200nm，但取向較好和頂端開孔的結(jié)構(gòu)。

致謝：作者感謝國(guó)家自然科學(xué)基金對(duì)此研究的資助（項(xiàng)目號(hào)：51172114， 51372126）。

參考文獻(xiàn)

[1] 魏飛，張強(qiáng)，騫偉中，等.碳納米管陣列研究進(jìn)展[J].新型炭材料，2007，22（3）：271-282.

[2] W.Z.Li，S.S.Xie，L.X.Qian.Large—Scale Synthesis of Aligned Carbon Nanotubes[J].Science，1996，274（5293）：1701-1703.

[3] 盛雷梅，范守善.金屬基底上定向碳納米管陣列的生長(zhǎng)及其場(chǎng)發(fā)射性質(zhì)[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，25（4）：249-251.endprint

摘 要：該研究采用Na/Li基催化劑，乙炔為碳源，在600，650 ℃化學(xué)氣相沉積碳納米管陣列。結(jié)果表明Na：Li的比例，前軀體的種類和沉積溫度對(duì)碳納米管陣列的形貌和取向有較大影響。

關(guān)鍵詞：Na/Li 催化劑 碳納米管陣列 化學(xué)氣相沉積

中圖分類號(hào)：TB383 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）11（c）-0019-01

碳納米管和碳納米管陣列具有優(yōu)異的電，機(jī)械，化學(xué)等性能。它們?cè)趫?chǎng)發(fā)射，電磁屏蔽，電化學(xué)等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。碳納米管的制備方法主要是采用金屬催化劑如鐵，鈷，鎳等和各種碳源如乙炔，苯。然而，金屬催化劑的使用使反應(yīng)產(chǎn)物的提純變得復(fù)雜。該研究采用堿金屬化合物做為催化劑，乙炔為碳源制備碳納米管陣列。此陣列的優(yōu)點(diǎn)是與基體有較好的結(jié)合力，陣列中的碳納米管直徑較大。

1 實(shí)驗(yàn)部分

原料是分析純的Na2CO3，LiCl和Li2CO3。催化劑的制備是按Na：Li的原子比為5∶1和1∶1分別稱取一定質(zhì)量的Na2CO3/LiCl和Na2CO3/Li2CO3，放進(jìn)研缽研磨成細(xì)小的顆粒，加入適量蒸餾水調(diào)成糊狀，備用。將制備好的膏狀催化劑盡量涂均勻涂在硅片上。用鑷子將涂好的硅片依次放入玻璃管中，記準(zhǔn)各個(gè)硅片的相對(duì)位置。把裝有硅片的玻璃管放入管式爐中。將管式爐加熱到650 ℃后，通氬氣30 min，氣流速度為300 mL/min。然后將爐溫調(diào)到600 ℃，650 ℃關(guān)掉氬氣并以200 mL/min通入乙炔，1 h后關(guān)掉乙炔，通入氬氣以防降溫時(shí)樣品被氧化。當(dāng)爐溫降至50 ℃以下將樣品取出放入試樣袋。沉積產(chǎn)物用掃描電子顯微鏡（日本電子公司JSM-6700F）觀察形貌。

2 結(jié)果與討論

使用Na2CO3/LiCl 混合催化劑，Na：Li為1∶1，5∶1時(shí)，600和650 ℃沉積的產(chǎn)物形貌如圖1所示。從圖1a中可以看出當(dāng)催化劑成份為Na：Li=1：1時(shí)，600 ℃時(shí)沉積的產(chǎn)物主要為不規(guī)則的碳顆粒，這些碳顆粒相互粘結(jié)，有很少的纖維生成。圖1b顯示650 ℃時(shí)沉積產(chǎn)物主要為直徑約為100 nm取向較好的碳納米管，碳納米管具有頂端封口結(jié)構(gòu)。碳納米管的直徑較均勻。圖1c顯示當(dāng)催化劑成份為Na：Li=5∶1，600 ℃沉積產(chǎn)物為50 nm左右的碳納米管陣列，但長(zhǎng)度較短，碳納米管陣列取向較好。圖1d顯示650 ℃沉積的是直徑約為80 nm的碳納米管陣列，長(zhǎng)度較長(zhǎng)。研究還發(fā)現(xiàn)這些碳納米管在根部有很大程度的纏繞。這說明碳納米管雖然緊密纏繞但仍然保持了獨(dú)立的生長(zhǎng)過程。

使用Na2CO3/Li2CO3催化劑，Na∶Li為1∶1，5∶1時(shí)，600和650℃沉積的產(chǎn)物形貌如圖2所示。從圖2a中可以看出當(dāng)催化劑成份為Na∶Li=1∶1時(shí)，反應(yīng)溫度為600 ℃時(shí)的沉積產(chǎn)物為直徑約300 nm的短纖維。雖然從掃描電鏡觀察不到是管狀結(jié)構(gòu)，但從前期研究結(jié)果預(yù)測(cè)是碳納米管，并且頂端是封口的。圖2b顯示當(dāng)反應(yīng)溫度為650 ℃，催化劑成份為Na∶Li=1∶1時(shí)，沉積的碳納米管直徑均勻約為200 nm，取向非常好。照片清楚的顯示碳納米管的開口結(jié)構(gòu)。圖2c顯示當(dāng)催化劑成分為Na∶Li=5∶1，反應(yīng)溫度為600 ℃時(shí)的沉積產(chǎn)物是直徑約為100 nm的碳納米管并且頂端是開口的。這些碳納米管直徑較均勻并且取向較好。同時(shí)，圖中可以看出覆蓋在碳納米管上的催化劑。很顯然，這些催化劑是吸潮后流動(dòng)到碳納米管頂部的。圖2d顯示當(dāng)反應(yīng)溫度為650 ℃時(shí)，沉積的碳納米管直徑約200 nm，有的開口，有的是閉口，有的是尖端結(jié)構(gòu)。碳納米管取向不是很理想。通過對(duì)碳納米管根部觀察，碳納米管在根部相互連接形成一層碳膜結(jié)構(gòu)。前期研究表明是這些碳膜把碳納米管連接成一個(gè)整體。

3 結(jié)語(yǔ)

該研究采用了創(chuàng)新性的堿金屬化合物催化劑，化學(xué)氣相沉積碳管陣列。研究結(jié)果表明Na/Li復(fù)合催化劑的比例及其前軀體種類和反應(yīng)溫度都對(duì)產(chǎn)物的形貌有較大影響。反應(yīng)溫度的提高有助于碳納米管的生長(zhǎng)和取向。Na2CO3/LiCl催化劑制備的碳納米管直徑較細(xì)，約50～100nm，但取向一般和頂端閉口結(jié)構(gòu)。Na2CO3/Li2CO3催化劑制備的碳納米管直徑較大約150～200nm，但取向較好和頂端開孔的結(jié)構(gòu)。

致謝：作者感謝國(guó)家自然科學(xué)基金對(duì)此研究的資助（項(xiàng)目號(hào)：51172114， 51372126）。

參考文獻(xiàn)

[1] 魏飛，張強(qiáng)，騫偉中，等.碳納米管陣列研究進(jìn)展[J].新型炭材料，2007，22（3）：271-282.

[2] W.Z.Li，S.S.Xie，L.X.Qian.Large—Scale Synthesis of Aligned Carbon Nanotubes[J].Science，1996，274（5293）：1701-1703.

[3] 盛雷梅，范守善.金屬基底上定向碳納米管陣列的生長(zhǎng)及其場(chǎng)發(fā)射性質(zhì)[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，25（4）：249-251.endprint