一種通過磁場控制碳納米材料生長形貌的方法
2023-07-27 23:33:16 3
專利名稱：一種通過磁場控制碳納米材料生長形貌的方法
技術領域：
本發明屬於碳納米材料製備領域，尤其是涉及一種通過磁場控制碳納米材料生長形貌的方法。
背景技術：
自1991年日本科學家飯島發現碳納米管以來，大批科技工作者對一維碳納米材料進行了大量的研究。碳納米材料主要包括直徑在100納米以下的碳納米管和直徑在500 納米以下的碳納米纖維，其長度可達數十或數百微米。由於其獨特的結構特性，使其具有不同尋常的物理、化學和機械性能等，被認為在一維傳導器，超強複合材料、超硬材料、儲氫材料、催化劑和催化劑載體、高效吸附劑、吸波材料等領域具有廣闊的應用前景，受到很多研究者的重視。然而由外界環境來控制碳納米材料的生長形貌很少有報導，尤其是利用磁場來控制碳納米材料的生長形貌從未見報導。
發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種利用磁場來控制碳納米材料生長形貌的方法，在碳納米材料的生長過程中，通過改變磁場的大小和方向來改變碳納米材料的生長形貌。本發明的目的可以通過以下技術方案來實現一種通過磁場控制碳納米材料生長形貌的方法，包括以下步驟(1)在矽片上濺射一層磁性金屬材料或者磁性金屬氧化物材料；(2)將經上述處理過的矽片置於中空石墨管中，該中空石墨管設在石英管中，並置於高頻線圈作用範圍內；(3)將中空石墨管抽真空，然後通入氫氣和有機碳氣體，開啟高頻線圈的電源，反應一段時間後，矽片上得黑色產物，即為特定形貌的碳納米材料。步驟(1)中所述的磁性金屬材料為鐵、鈷、鎳或者為其合金。步驟(1)中所述的磁性金屬氧化物材料為鐵、鈷或鎳的氧化物。步驟⑴中所述的磁性金屬材料或者磁性金屬氧化物材料濺射厚度為10-300nm。所述的高頻線圈使石墨管快速升溫並提供交變磁場。步驟(3)中所述的有機碳氣體為甲烷或乙炔，通入的氫氣流量為10-50sCCm，通入的有機碳氣體流量為30-200sCCm。氫氣與有機碳氣體通入的體積比優選1 3。步驟(3)中所用的反應時間為5-30分鐘。步驟(3)中高頻線圈控制反應溫度為750-900°C，內部磁場為交變磁場，由線圈內的交變電流產生，頻率為30KHz-60KHz。本發明的關鍵在於，使用的高頻感應線圈不僅可以產生與中空石墨管同軸的高頻渦流，從而使得石墨管快速升溫，也可以產生石墨管軸向的高頻交變磁場，上述感應磁場可以控制磁性催化劑的走向，從而達到控制碳納米材料的生長形貌。本發明製備的碳納米材料的生長機理製備一維材料的其中一個重要生長機理為 VLS機制(氣固液機制)，此機制的關鍵是位於一維材料頂端或者底端的液滴狀催化劑，催化劑在高溫下融化成液滴狀，液滴在材料生長過程中不斷吸附氣氛中的氣體，當液滴中的物質達到過飽和時，物質析出成為固體，液滴持續溶解氣體和析出，從而長成一維材料。本發明採用鐵，鈷，鎳等磁性材料作為催化劑，一方面保證能遵循VLS生長機制生長一維碳納米材料，一方面也可以利用磁場來誘導催化劑的走向，從而控制碳納米材料的形貌。與現有技術相比，本發明通過控制磁場的大小和方向，可得到各種不同形貌的碳納米材料，採用鐵，鈷，鎳等磁性材料作為催化劑，一方面保證能遵循VLS生長機制生長一維碳納米材料，另一方面也可以利用磁場來誘導催化劑的走向，從而控制碳納米材料的形貌。
圖1為本發明製備得到的類之字形碳納米材料的掃描電鏡圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。實施例11、在洗淨的矽片上濺射一層鐵，濺射時間為10-50秒，厚度大約為30-300納米；2、將上述矽片置於中空石墨管中，並置於高頻感應線圈的作用範圍內，整個石墨管置於密閉石英管中；開啟真空泵，開始抽真空，使石英管內真空度達到10 左右，通入氫氣，氫氣流量為30sccm;3、調節抽氣量，使得石英管內可以保持壓強，開啟高頻感應線圈電源，石墨管溫度在1分鐘之內達到750度左右，達到所需溫度後，持續通入氫氣2分鐘，使得矽片上所濺射材料被還原成金屬單質，然後通入乙炔，流量為90sCCm。5、保持溫度，保持氫氣和乙炔的流量，反應15分鐘，關閉電源；6、自然冷卻後，在矽片上可得到大量黑色物質，即為磁場控制下生長的碳納米材料。本實施例中所用磁場由感應線圈產生，磁場為沿著石墨管軸向的交變磁場，因此得到的碳納米材料為類之字形，如圖1所示。實施例2濺射金屬換成鎳和鈷，通入的有機碳氣體換成甲烷，所需溫度換成900度，其餘不變，同樣可以得到類之字形的碳納米材料。實施例3一種通過磁場控制碳納米材料生長形貌的方法，包括以下步驟(1)在矽片上濺射一層氧化鐵作為催化劑，金屬氧化物材料濺射厚度為IOnm ；(2)將經上述處理過的矽片置於中空石墨管中，該中空石墨管設在石英管中，並置於高頻線圈作用範圍內，高頻線圈使石墨管快速升溫並提供交變磁場；(3)將中空石墨管抽真空，然後通入氫氣和甲烷，氫氣流量為lOsccm，甲烷的流量為30sCCm，然後開啟高頻線圈的電源，控制反應溫度為750°C，控制高頻線圈的頻率為 30KHz，為內部提供高頻交變磁場，反應30min，矽片上得黑色產物，即為特定形貌的碳納米材料。實施例4一種通過磁場控制碳納米材料生長形貌的方法，包括以下步驟(1)在矽片上濺射一層氧化鈷作為催化劑，金屬氧化物材料濺射厚度為50nm ；(2)將經上述處理過的矽片置於中空石墨管中，該中空石墨管設在石英管中，並置於高頻線圈作用範圍內，高頻線圈使石墨管快速升溫並提供交變磁場；(3)將中空石墨管抽真空，然後通入氫氣和甲烷，氫氣流量為30sCCm，甲烷的流量為lOOsccm，然後開啟高頻線圈的電源，控制反應溫度為800°C，控制高頻線圈的頻率為 50KHz，為內部提供高頻交變磁場，反應15min，矽片上得黑色產物，即為特定形貌的碳納米材料。實施例5一種通過磁場控制碳納米材料生長形貌的方法，包括以下步驟(1)在矽片上濺射一層鐵鈷合金作為催化劑，金屬氧化物材料濺射厚度為50nm ；(2)將經上述處理過的矽片置於中空石墨管中，該中空石墨管設在石英管中，並置於高頻線圈作用範圍內，高頻線圈使石墨管快速升溫並提供交變磁場；(3)將中空石墨管抽真空，然後通入氫氣和乙炔，氫氣流量為50sCCm，乙炔的流量為200sCCm，然後開啟高頻線圈的電源，控制反應溫度為900°C，控制高頻線圈的頻率為 60KHz，為內部提供高頻交變磁場，反應5min，矽片上得黑色產物，即為特定形貌的碳納米材料。
權利要求
1.一種通過磁場控制碳納米材料生長形貌的方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟(1)在矽片上濺射一層磁性金屬材料或者磁性金屬氧化物材料；(2)將經上述處理過的矽片置於中空石墨管中，該中空石墨管設在石英管中，並置於高頻線圈作用範圍內；(3)將中空石墨管抽真空，然後通入氫氣和有機碳氣體，開啟高頻線圈的電源，反應一段時間後，矽片上得黑色產物，即為特定形貌的碳納米材料。
2.根據權利要求1所述的一種通過磁場控制碳納米材料生長形貌的方法，其特徵在於，步驟(1)中所述的磁性金屬材料為鐵、鈷、鎳或者為其合金。
3.根據權利要求1所述的一種通過磁場控制碳納米材料生長形貌的方法，其特徵在於，步驟(1)中所述的磁性金屬氧化物材料為鐵、鈷或鎳的氧化物。
4.根據權利要求1所述的一種通過磁場控制碳納米材料生長形貌的方法，其特徵在於，步驟(1)中所述的磁性金屬材料或者磁性金屬氧化物材料濺射厚度為10-300nm。
5.根據權利要求1所述的一種通過磁場控制碳納米材料生長形貌的方法，其特徵在於，所述的高頻線圈使石墨管快速升溫並提供交變磁場。
6.根據權利要求1所述的一種通過磁場控制碳納米材料生長形貌的方法，其特徵在於，步驟(3)中所述的有機碳氣體為甲烷或乙炔，通入的氫氣流量為10-50sCCm，通入的有機碳氣體流量為30-200sccm。
7.根據權利要求1或6所述的一種通過磁場控制碳納米材料生長形貌的方法，其特徵在於，氫氣與有機碳氣體通入的體積比優選1 3。
8.根據權利要求1所述的一種通過磁場控制碳納米材料生長形貌的方法，其特徵在於，步驟(3)中所用的反應時間為5-30分鐘。
9.根據權利要求1所述的一種通過磁場控制碳納米材料生長形貌的方法，其特徵在於，步驟(3)中高頻線圈控制反應溫度為750-900°C，高頻線圈提供內部的交變磁場，高頻線圈控制的頻率為30KHz-60KHz。
全文摘要
本發明涉及一種通過磁場控制碳納米材料生長形貌的方法，以濺射在矽片上的磁性金屬材料為催化劑，用高頻感應線圈來加熱中空石墨管，同時提供交變磁場，將濺射有催化劑的矽片放置在中空石墨管中，加熱5-30分鐘，即得到形貌受磁場控制的碳納米材料。本發明利用交變磁場製備出類之字形納米材料。與現有技術相比，本發明通過改變的磁場大小和方向，可以得到不同形貌的碳納米材料。
文檔編號B82Y40/00GK102557004SQ201110440769
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月23日 優先權日2011年12月23日
發明者張亞非, 楊志, 蘇言傑, 錢炳建, 魏浩 申請人:上海交通大學