CN101311295B - 一种基于电弧放电法制备单壁碳纳米管薄膜的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电弧放电法制备单壁碳纳米管薄膜的装置。它包括电弧放电真空室，电弧放电真空室与真空泵相连接，电弧放电真空室内设有石墨阴极和石墨阳极，石墨阴极和石墨阳极与直流电源相连接，其特征在于在石墨阴极和石墨阳极上分别设相配合的上球冠形石墨板和下球冠形石墨板，上球冠形石墨板和下球冠形石墨板形成球冠型电容器。本发明使合成的单壁碳纳米管，能够以大面积(100～200cm2)薄膜的形式均匀附着于阴极球冠石墨极板的内表面上。薄膜的厚度根据需要可以进行控制，膜厚在数微米到1毫米量级之间，制备出的单壁碳纳米管薄膜的转化率达到了75％以上，薄膜中单壁碳纳米管的纯度在55％以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于电弧放电法制备单壁碳纳米管薄膜的装置。
背景技术
单壁碳纳米管最初是利用电弧放电法制备出来的，从单壁碳纳米管的发现到现在已有十几年的历史。利用电弧放电法制备的单壁碳纳米管(SWCNTs)具有结晶性好，制备时间短等特点。随着碳纳米管研究的不断发展，许多应用方面的研究非常需要单壁碳纳米管薄膜。利用CVD法制成单壁碳纳米管，成膜面积小，结晶性差，不能满足应用研究的需要。而利用电弧放电法制备大面积单壁碳纳米管薄膜的方法至今还未见报到。如果运用电弧放电方法，即使能制成单壁碳纳米薄膜，也会由于该方法存在的一些问题，而影响薄膜的品质和应用效果。已有的研究成果表明，电弧放电法制备单壁碳纳米管时，电弧放电产生的温度分布范围大，阳极的石墨在蒸发时因高温使其自然扩散，从而使单壁碳纳米碳管产量较低，纯度也不高。电弧法制备SWCNTs需要的合成温度一般高于1000℃，如何形成一个合适的温度区域对于合成高品质、高纯度单壁碳纳米管薄膜具有非常重要的意义。众所周知，单壁碳纳米管因其自身具有完美的结构，决定了它能成为一种具有优良的力学、电学等各种性能的新型材料，并在许多领域都有着十分广阔的应用前景。把单壁碳纳米管制成大面积薄膜对于发挥其多种优异的性能具有重要作用。特别是在复合材料、场发射材料、燃料电池的催化电极膜等方面都迫切需要大面积、高纯度、高品质的单壁碳纳米管薄膜。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电弧放电法制备单壁碳纳米管薄膜的装置。
基于电弧放电法制备单壁碳纳米管薄膜的装置包括电弧放电真空室，电弧放电真空室与真空泵相连接，电弧放电真空室内设有石墨阴极和石墨阳极，石墨阴极和石墨阳极与直流电源相连接，其特征在于在石墨阴极和石墨阳极上分别设相配合的上球冠形石墨板和下球冠形石墨板，上球冠形石墨板和下球冠形石墨板形成球冠型电容器。
所述的电极棒为含有金属催化剂的直径为6mm石墨电极棒。石墨电极棒的直径为8mm。上球冠形石墨板和下球冠形石墨板的曲率半径为200mm～500mm。上球冠形石墨板与下球冠形石墨板之间的中心距离为50mm～300mm。球冠形石墨板内表面的粗糙度为3～3.5μm。球冠形石墨板的厚度为3mm～6mm。球冠形石墨板的成膜面积为100～200cm2。直流电源的直流电压为20～10000V。球冠形石墨板的内表面温度为1200K～1600K。
本发明由两枚大型球冠型石墨极板构成的，两枚极板分别接通直流电源后，就成为能够产生电场的球冠型电容器。在这个球冠型电容器上分别安装石墨电极，其中，在下面球冠石墨极板上安装含有金属催化剂的阳极石墨棒，在上面的球冠石墨阴极板上安装石墨电极棒。在对石墨电极实施电弧放电时，因放电产生的高温蒸发石墨棒阳极形成碳离子，碳离子在合成单壁碳纳米管的扩散过程中，因球冠型电容器上面石墨极板具有负电位而被吸引，同时，利用两枚球冠型电容器的石墨电极形成的空间可以改变碳离子扩散形式，从而使合成的单壁碳纳米管，能够以大面积(100～150cm2)薄膜的形式均匀附着于阴极球冠石墨极板的内表面上。薄膜的厚度根据需要可以进行控制，膜厚在数微米到1毫米量级之间，制备出的单壁碳纳米管薄膜的转化率达到了75％以上，薄膜中单壁碳纳米管的纯度在55％以上。
附图说明
图1为电弧放电法制备单壁碳纳米管薄膜的装置图；
图2为使用氧化钇和镍粉二元催化剂，制备的单壁碳纳米管薄膜的场发射扫描电子显微镜照片，薄膜表面有大量的单壁碳纳米管束，同时也存在一些催化剂颗粒；
图3为使用氧化钇和镍粉二元催化剂，制备的单壁碳纳米管薄膜的高分辨透射电子显微镜照片，在单壁碳纳米管束中，每根单壁碳纳米管清晰可见，白色短线所标记的为一根直径为1.20nm的单壁碳纳米管；
图4为单壁碳纳米管薄膜的拉曼光谱图(在室温下激发波长为488nm)。由1339cm-1的无定形碳峰与1583cm-1近旁的单壁碳纳米管特征峰值强度对比可以看出，单壁碳纳米管薄膜中只含有微量的无定形碳，低频区150～210cm-1的呼吸振动膜的峰值可求出单壁碳纳米管的平均直径为1.26nm；
图5为单壁碳纳米管薄膜的热重分析图，壁碳纳米管的氧化温度为460～650℃，由此可知薄膜中单壁碳纳米的含量为55％。
具体实施方式
本发明通过一套装置包括真空室，真空室与真空泵相连接，真空室内设有石墨阴极和石墨阳极，石墨阴极和石墨阳极与直流电源相连接，其特征在于在石墨阴极和石墨阳极上分别设相配合的上球冠形石墨板和下球冠形石墨板，构成球冠型电容器(包括平板式电容器)的装置，实现制备大面积、高品质单壁碳纳米管薄膜的目标。本方法的特征是把阴极石墨棒和含有金属催化剂的阳极石墨棒的电弧放电在两枚球冠型石墨极板形成的空间内进行。放电过程中，由于两枚球冠型石墨极板之间始终存在电场，因此，处于负电位的球冠型石墨阴极板，具有吸引碳离子的性质。另一方面，由于两枚球冠型石墨极板形成的空间，改变了碳离子等的扩散形态，增加了单壁碳纳米管的合成几率。同时，在真空室充入惰性气体氛围和一定压力下，电弧放电产生的高温蒸发了含有金属催化剂的石墨阳极棒，此时，碳离子因电场的作用和特定的气体扩散形式，合成的单壁碳纳米管就以均匀的薄膜形式，几乎全部附着在上球冠形石墨阴极板的内表面上。这种单壁碳纳米管薄膜具有大面积(100～200cm2)、高纯度(55％)、高品质的特点，而且，单壁碳纳米管薄膜的厚度也可以根据需要进行控制，膜厚在数微米到1毫米量级之间。对实施例中合成的单壁碳纳米管薄膜样品经场发射扫描电子显微镜(FSEM)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)的观察，拉曼(Raman)光谱表征及热重分析(TGA)的研究与测试表明，制备出的单壁碳纳米管的转化率达到了75％以上，纯度在55％以上，平均直径为1.27nm，长度为数微米量级。其设备图、电镜照片和测试曲线见附图1～5。
如图1所示，基于电弧放电法制备单壁碳纳米管薄膜的装置包括电弧放电真空室3，电弧放电真空室与真空泵6相连接，电弧放电真空室内设有石墨阴极5和石墨阳极4，石墨阴极和石墨阳极与直流电源7相连接，其特征在于在石墨阴极5和石墨阳极4上分别设相配合的上球冠形石墨板1和下球冠形石墨板2，上球冠形石墨板1和下球冠形石墨板2形成球冠型电容器。
所述的电极棒4为含有金属催化剂的直径为6mm石墨电极棒。石墨电极棒5的直径为8mm。上球冠形石墨板1和下球冠形石墨板2的曲率半径为200mm～500mm。上球冠形石墨板1与下球冠形石墨板2之间的中心距离为50mm～300mm。球冠形石墨板内表面的粗糙度为3～3.5μm。球冠形石墨板的厚度为3mm～6mm。球冠形石墨板的成膜面积为100～200cm2。直流电源5的直流电压为20～10000V。球冠形石墨板的内表面温度为1200K～1600K。
制备单壁碳纳米薄膜的实验条件是以Fe、Co、Ni、Y、Mo中的一种或两种以上组合混合成均匀的粉末，以一定比例与石墨粉混合，填充到直径为6mm的石墨棒中制备成复合石墨阳极，阴极使用直径为8mm的石墨棒，也可直接使用圆弧形石墨板阴极。氛围气体为高纯He气或Ar气，压力在50～600Torr之间，通过阳极的电流在50～100A之间。石墨阴阳电极在球冠形电容器形成的空间内实施电弧放电后，在上球冠形阴极石墨极板的内表面上形成了单壁碳纳米管薄膜。
实施例1：
使用氧化钇(Y2O3)和镍(Ni)粉二元催化剂，与石墨粉的质量比Y2O3∶Ni∶C＝5∶2∶5，充入Φ6×50mm的石墨棒内，以之为复合石墨阳极，放电电流为70A，压强为600Torr的条件下实施电弧放电2min，可在圆弧形石墨板阴极上收集到质量为110mg、面积达200cm2的单壁碳纳米管薄膜(膜厚约0.3mm)。
实施例2：使用氧化钇(Y2O3)和镍(Ni)二元催化剂，与石墨粉的质量比Y2O3∶Ni∶C＝5∶2∶5，Φ6×50mm的石墨棒，以之为复合石墨阳极，放电电流为60A，压强为400Torr的条件下实施电弧放电2min，在圆弧形石墨板阴极上收集到质量为40mg，面积达80cm2的单壁碳纳米管薄膜(膜厚约0.3mm)。
Claims (4)
1.一种基于电弧放电法制备单壁碳纳米管薄膜的装置，包括电弧放电真空室(3)，电弧放电真空室与真空泵(6)相连接，电弧放电真空室内设有石墨阴极(5)和石墨阳极(4)，石墨阴极和石墨阳极与直流电源(7)相连接，其特征在于在石墨阴极(5)和石墨阳极(4)上分别设相配合的上球冠形石墨板(1)和下球冠形石墨板(2)，上球冠形石墨板(1)和下球冠形石墨板(2)形成球冠型电容器；上球冠形石墨板(1)和下球冠形石墨板(2)的曲率半径为200mm～500mm，上球冠形石墨板(1)与下球冠形石墨板(2)之间的中心距离为50mm～300mm。
2.根据权利要求1所述的一种基于电弧放电法制备单壁碳纳米管薄膜的装置，其特征在于所述的石墨阳极(4)为含有金属催化剂的直径为6mm石墨电极棒。
3.根据权利要求1所述的一种基于电弧放电法制备单壁碳纳米管薄膜的装置，其特征在于所述的石墨阴极(5)的直径为8mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于电弧放电法制备单壁碳纳米管薄膜的装置，其特征在于所述的直流电源(7)的直流电压为20～10000V。
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