专利名称：一种制备单壁碳纳米管的方法
技术领域：
本发明是一种制备单壁碳纳米管的方法，属于碳纳米管制备领域，具体而言涉及一种在低压气氛下采用廉价催化剂直流电弧放电法大量制备单壁碳纳米管的方法。
背景技术：
单壁碳纳米管自1993年被发现以来，因其独特的一维结构而具有独特的力学、机械、电子和量子等特性，作为场发射材料、储氢材料、量子导线、纳米电子元件、催化剂载体等极具潜力，成为物理学、化学和材料科学等学科领域中最前沿的研究领域之一，已在全世界范围内引起各国学者的广泛关注和极大兴趣。
单壁碳纳米管的制备方法主要有电弧放电法、激光烧蚀法和催化裂解碳氢化合物法等。电弧法制备单壁碳纳米管具有设备简易、操作简单、产量大、产物的晶化程度高等优点成为制备单壁碳纳米管最常用的方法之一。
传统电弧法制备单壁碳纳米管是在一个密闭的充有一定压力惰性气体的反应空腔里，在两根石墨电极之间直接起弧产生的高温来气化添加有催化剂的消耗性阳极来实现的。电弧放电法制备单壁碳纳米管所使用的催化剂一般为过渡金属铁、钴、镍、铂、铑、钯、铈、钬等。这些金属过渡金属单一使用或者两种混合或者三种混合使用，如铁/钴、铁/镍、镍/铱、铁/钴/镍、铂/铑、铂/钯等。刘畅等人发明的氢电弧半连续法，以铁系金属为催化剂制备出纯度较高的单壁碳纳米管束，进一步改进成氩气/氢气混合电弧可制备较高纯度的单壁碳纳米管长绳。由于氢元素能够暂时性地消除单壁碳纳米管生长过程中的悬键，可以制备出较长的单壁碳纳米管束，氢气对无定形碳具有刻蚀作用，可以降低产物中无定形碳的含量，制备出质量更高的单壁碳纳米管。在制备单壁碳纳米管的过程中发现添加单质硫或含硫物质能提高制备单壁碳纳米管的产率，硫元素被认为是制备单壁碳纳米管的生长促进剂。
使用过渡金属做催化剂制备单壁碳纳米管，大多使用的为单质金属元素，而且这些金属元素大多为贵重金属，价格比较较贵，这无疑增加了制备单壁碳纳米管的成本。铁的氧化物是极易获得、价格低廉的物质，用铁的氧化物作为制备高质量单壁碳纳米管的催化剂无疑能够降低了制备单壁碳纳米管的成本。
发明内容
本发明一种制备单壁碳纳米管的方法，目的在于就是提供了一种在低压气氛下采用廉价催化剂直流电弧放电法大量制备单壁碳纳米管的方法。
本发明一种制备单壁碳纳米管的方法，其特征在于是一种采用直流电弧放电法制备单壁碳纳米管的方法，具体来讲就是在消耗性石墨阳极中填充金属氧化物催化剂、含硫促进剂和高纯石墨粉的均匀混合物，并且在低压氩气/氢气混合气流气氛下起弧放电，从而制得单壁碳纳米管。
上述一种制备单壁碳纳米管的方法，其特征在于是所述的消耗性石墨阳极为一端打孔，孔径4～6mm，壁厚1mm，孔深60mm的高纯石墨棒。
上述的一种制备单壁碳纳米管的方法，其特征在于所述的金属氧化物催化剂为四氧化三铁、三氧化二铁或者两者的混合物，金属氧化物催化剂在填充物中的含量为10～20wt.％。
上述的一种制备单壁碳纳米管的方法，其特征在于所述的含硫促进剂是添加硫化亚铁作单壁碳纳米管的生长促进剂，硫化亚铁在填充物中的含量为2～5wt.％。
上述的一种制备单壁碳纳米管的方法，其特征在于所述的低压氩气/氢气混合气流气氛为压力150～250mmHg，氩气/氢气体积比为3∶1～3∶2，流量为800～1000ml/min的氩气/氢气的混合气流。
本发明是一种制备单壁碳纳米管的方法的优点在于A、采用直流电弧法制备单壁碳纳米管，设备简易、操作简单、产率高、产物得晶化程度高，且能达到大量制备的要求。
B、首次使用铁的氧化物作为制备单壁碳纳米管的催化剂，获得高质量、管径较细的单壁碳纳米管。
C、使用铁的氧化物作催化剂制备的单壁碳纳米管，降低了制备单壁碳纳米管的成本。
D、使用氩气/氢气混合电弧法制备的单壁碳纳米管纯度较高，且无定型碳杂质含量较少，易于纯化。
图1和图2为使用铁的氧化物作为催化剂，硫化亚铁作生长促进剂氩气/氢气电弧法制备的布状和网状产物的扫描电子显微镜(SEM)图。
图3和图4为用铁的氧化物作催化剂，硫化亚铁作生长促进剂制备的布状和网状产物的拉曼光谱图。
具体实施例方式
实施方式1用15wt.％四氧化三铁作催化剂，4wt.％的硫化亚铁作促进剂和高纯石墨粉均匀混合后填充在一端打孔(孔径6mm，壁厚1mm，孔深60mm)的高纯石墨棒中，起弧电流90A，保持两极间～4mm的间距，在200mmHg压力，800ml/min的氩气/氢气(体积比为3∶2)混合气流条件下进行起弧放电，放电时间约12分钟，得到约0.8克布状和网状产物。制得的布状产物的扫描电子显微镜图见图1。
实施方式2以15wt.％的三氧化二铁作催化剂，4wt.％的硫化亚铁作促进剂高纯石墨粉均匀混合后填充在一端打孔(孔径6mm，壁厚1mm，孔深60mm)的高纯石墨棒中，起弧电流100A，保持两极间～4mm的间距，在200mmHg压力，900ml/min的氩气/氢气(体积比为3∶2)混合气流条件下进行起弧放电，放电时间约10分钟，得到约0.7克布状和网状产物。制得的网状产物的扫描电子显微镜图见图2。
实施方式3以15wt.％三氧化二铁和四氧化三铁混合物(质量比为1∶1)作催化剂，4wt.％硫化亚铁作促进剂和高纯石墨粉均匀混合后填充在一端打孔(孔径6mm，壁厚1mm，孔深60mm)的高纯石墨棒中，起弧电流80A，保持两极间～4mm的间距，在200mmHg压力，800ml/min的氩气/氢气(体积比为3∶2)混合气流条件下进行起弧放电，放电时间约16分钟，得到约0.85克布状和网状产物。制得的布状产物的拉曼谱见图3。
实施方式4用15wt.％四氧化三铁作催化剂，3wt.％的硫化亚铁作促进剂和高纯石墨粉均匀混合后填充在一端打孔(孔径6mm，壁厚1mm，孔深60mm)的高纯石墨棒中，起弧电流90A，保持两极间～4mm的间距，在250mmHg压力，800ml/min的氩气/氢气(体积比为3∶2)混合气流条件下进行起弧放电，放电时间约12分钟，得到约0.8克布状和网状产物。制得的网状产物的拉曼谱见图4。
实施方式5用10wt.％三氧化二铁作催化剂，2wt.％的硫化亚铁作促进剂和高纯石墨粉均匀混合后填充在一端打孔(孔径6mm，壁厚1mm，孔深60mm)的高纯石墨棒中，起弧电流80A，保持两极间～4mm的间距，在150mmHg压力，1000ml/min的氩气/氢气(体积比为3∶1)混合气流条件下进行起弧放电，放电时间约17分钟，得到约0.4克布状和网状产物。
实施方式6用13wt.％三氧化二铁作催化剂，2wt.％的硫化亚铁作促进剂和高纯石墨粉均匀混合后填充在一端打孔(孔径4mm，壁厚1mm，孔深60mm)的高纯石墨棒中，起弧电流90A，保持两极间～4mm的间距，在250mmHg压力，900ml/min的氩气/氢气(体积比为3∶2)混合气流条件下进行起弧放电，放电时间约15分钟，得到约0.4克布状和网状产物。
实施方式7用18wt.％四氧化三铁作催化剂，3wt.％的硫化亚铁作促进剂和高纯石墨粉均匀混合后填充在一端打孔(孔径6mm，壁厚1mm，孔深60mm)的高纯石墨棒中，起弧电流100A，保持两极间～4mm的间距，在200mmHg压力，800ml/min的氩气/氢气(体积比为3∶1)混合气流条件下进行起弧放电，放电时间约12分钟，得到约0.6克布状和网状产物。
实施方式8用18wt.％三氧化二铁作催化剂，5wt.％的硫化亚铁作促进剂和高纯石墨粉均匀混合后填充在一端打孔(孔径4mm，壁厚1mm，孔深60mm)的高纯石墨棒中，起弧电流80A，保持两极间～4mm的间距，在200mmHg压力，800ml/min的氩气/氢气(体积比为3∶2)混合气流条件下进行起弧放电，放电时间约10分钟，得到约0.4克布状和网状产物。
实施方式9用20wt％四氧化三铁作催化剂，3wt％的硫化亚铁作促进剂和高纯石墨粉均匀混合后填充在一端打孔(孔径6mm，壁厚1mm，孔深60mm)的高纯石墨棒中，起弧电流80A，保持两极间～4mm的间距，在200mmHg压力，900ml/min的氩气/氢气(体积比为3∶2)混合气流条件下进行起弧放电，放电时间约16分钟，得到约0.7克布状和网状产物。
实施方式10用20wt％四氧化三铁作催化剂，4wt％的硫化亚铁作促进剂和高纯石墨粉均匀混合后填充在一端打孔(孔径6mm，壁厚1mm，孔深60mm)的高纯石墨棒中，起弧电流80A，保持两极间～4mm的间距，在200mmHg压力，1000ml/min的氩气/氢气(体积比为3∶2)混合气流条件下进行起弧放电，放电时间约17分钟，得到约0.5克布状和网状产物。
实施方式11用18wt.％三氧化二铁和四氧化三铁混合物(质量比为2∶1)，2wt.％的硫化亚铁作促进剂和高纯石墨粉均匀混合后填充在一端打孔(孔径6mm，壁厚1mm，孔深60mm)的高纯石墨棒中，起弧电流90A，保持两极间～4mm的间距，在200mmHg压力，900ml/min的氩气/氢气(体积比为3∶2)混合气流条件下进行起弧放电，放电时间约13分钟，得到约0.7克布状和网状产物。
权利要求
1.一种制备单壁碳纳米管的方法，其特征在于是一种采用直流电弧放电法制备单壁碳纳米管的方法，具体来讲就是在消耗性石墨阳极中填充金属氧化物催化剂、含硫促进剂和高纯石墨粉的均匀混合物，并且在低压氩气/氢气混合气流气氛下起弧放电，从而制备单壁碳纳米管。
2.按照权利要求1所述的一种制备单壁碳纳米管的方法，其特征在于是所述的消耗性石墨阳极为一端打孔，孔径4～6mm，壁厚1mm，孔深60mm的高纯石墨棒。
3.按照权利要求1所述的一种制备单壁碳纳米管的方法，其特征在于所述的金属氧化物催化剂为四氧化三铁、三氧化二铁或者两者的混合物，金属氧化物催化剂在填充物中的含量为10～20wt.％。
4.按照权利要求1所述的一种制备单壁碳纳米管的方法，其特征在于所述的含硫促进剂是添加硫化亚铁作单壁碳纳米管的生长促进剂，硫化亚铁在填充物中的含量为2～5wt.％。
5.按照权利要求1所述的一种制备单壁碳纳米管的方法，其特征在于所述的低压氩气/氢气混合气流气氛为压力150～250mmHg，氩气/氢气的体积比为3∶1～3∶2，流量为800～1000ml/min。
全文摘要
一种制备单壁碳纳米管的方法属于碳纳米管制备领域，具体而言涉及一种在低压气氛下采用廉价催化剂直流电弧放电法大量制备单壁碳纳米管的方法。其特征在于是以铁的氧化物作为制备单壁碳纳米管的催化剂并添加含硫物质作生长促进剂，催化剂、促进剂和石墨粉均匀混合后填充到钻孔的石墨棒中作为消耗性阳极，在低压氩气/氢气混合气流气氛下进行直流电弧放电，制得布状和网状产物。制备的布状和网状产物中含有大量纯度较高的单壁碳纳米管。
文档编号B82B3/00GK1887701SQ10012980
公开日1月3日 申请日期7月21日 优先权日7月21日
发明者吕永康, 孙喜, 鲍卫仁 申请人:太原理工大学
