用電弧放電處理碳納米管的方法
2023-10-27 20:06:47 2
專利名稱：用電弧放電處理碳納米管的方法
技術領域：
本發明涉及一種用電弧放電處理碳納米管的方法，屬於碳納米管純化和有序排列的技術。
背景技術：
由於碳納米管具有潛在的超高強度，高韌性，高導電，高導熱，半導體，氣敏，熱敏，電機械反應等眾多優良奇異的結構和物理化學特性，及廣泛的應用前景，使得碳納米管的製備與純化顯得非常重要。碳納米管的合成主要三種方法電弧放電法、雷射蒸發法和催化裂解法，不同方法製備的碳納米管均會含有非晶碳等相同的雜質，目前主要採用的是催化裂解法製備碳納米管。催化裂解法製備的碳納米管中所含雜質主要為金屬和無定形碳及石墨狀碎片。碳納米管的廣泛應用前景需要高純的碳納米管，特別是高純單壁的碳納米管，但至今為止尚缺乏一種理想的純化技術。目前一般通過酸氧化法，將含雜質的碳納米管浸入強酸溶液中溶掉金屬雜質，通過過濾、清洗、離心、乾燥等過程分離產物以達到純化碳納米管的目的。然而，通過酸洗氧化途徑會導致碳納米管結構的破壞，這是因為非晶碳和碳納米管的熱和氧化結構穩定性相近，通過氧化非晶碳的同時，很難控制碳納米管不被氧化或結構破壞。另外，對宏觀碳納米管纖維進行處理使其定向排列，切割等也是實現其眾多應用所需解決的問題。
發明內容
本發明的目的在於提供一種用電弧放電處理碳納米管的方法，該方法可有效的去除碳納米管的非晶顆粒，並使其定向排列，其過程簡單。
為達到上述目的，本發明是通過下述技術方案加以實現的對碳納米管纖維束，用電弧放電處理該碳納米管的方法。其特徵在於包括以下具體步驟在空氣中或是在惰性氣氛保護下對碳納米管束的兩端直接施加10～100伏的直流或交流電壓，使之在瞬間產生電火花，去除碳納米管表面的附著金屬或氧化物催化劑和剝離沉積的非晶碳層，並實現碳納米管的定向排列和其兩端的切割。
目前用各種方法製備的碳納米管，都含有微小的催化劑顆粒和非晶碳沉積於碳管壁上，催化劑顆粒都是納米級尺寸並以範得華力緊密結合在碳管壁上，而沉積的無定形碳則是以化學鍵覆蓋在碳管表面。用一般的方法很難完全去除。在碳納米管上施加一瞬時電壓，可以產生兩種純化機制一是能使碳管產生局部高電流和高熱量，納米尺寸的顆粒產生遷移並聚集成較大的微觀顆粒，從而有益於將其去除；二是由於覆蓋在表面的非晶碳具有比碳納米管更高的電阻，以及它們不同的熱膨脹係數，表面非晶碳層產生大量的熱從而與碳納米管剝離開來。如果在空氣中處理，非晶碳將會從碳納米管表面剝離。從而能很好的對碳納米管進行純化。
當在碳納米管束的兩端施加一高的瞬間電壓，使其放電，局域產生大量的熱將觸點燃燒，從而實現對碳納米管纖維束兩端的切割。
給碳納米管施加一瞬間電壓，產生兩種排列機制一是使碳納米管產生瞬時電流，從而產生磁效應，給碳納米管一個重排的過程，使其定向排列；二是由於碳納米管之間以環狀為接觸點，該接觸點處於高電阻狀態，在電壓作用下產生高熱量而將其纏繞聚集催化劑點剝離掉，從而也能使碳納米管排列整齊。
本發明的優點在於能完全去除碳納米管表面以物理吸附或是以化學鍵結合沉積於表面層的非晶碳和金屬雜質，從而達到純化碳納米管的目的；並能切割碳納米管的兩端，定向排列整齊。本發明也可適用於其他方法製得的碳納米管進行純化和定向排列及切割。
附圖1以金屬鐵為催化劑氣相合成的未經處理的碳納米管纖維束SEM照片。
附圖2圖1的碳納米管束經過電火花放電處理的SEM照片。
附圖3以金屬鐵為催化劑氣相合成的未經處理的碳納米管纖維束的自然端部SEM照片。
附圖4圖3的碳納米管經放電處理切割的纖維端部SEM照片。
附圖5以金屬鐵為催化劑氣相合成的處理前碳納米管TEM照片。該圖中呈現的淡色表明在碳納米管表面沉積著非晶碳層。
附圖6圖5經電火花處理碳納米管的TEM照片。
附圖7以金屬鐵為催化劑氣相合成的經電火花處理的碳納米管纖維束的形貌照片。
具體實施例方式
實施例一將採用金屬鐵催化劑氣相合成的碳納米纖維束樣品(長10毫米，粗500微米)置入三口玻璃燒杯內，將直流電源的負極通過玻璃燒杯的側口進入到玻璃燒杯內與碳納米管纖維束的一斷接觸，口部膠塞密封，電源正極通過另一入口進入到燒杯內，口部膠塞密封，通過頂部口對燒杯抽空至10-3Torr，然後充入一個大氣壓的高純氬氣，密閉上部進氣口。將電源電壓調至24伏，在燒杯外部將正極電極與燒杯內的纖維的另一端短暫接觸，時間0.1毫秒，在燒杯外面可見到接觸點處有電火花放出。將放電處理的樣品通過掃描電鏡和透射電鏡觀察，可見到纖維束內碳管上的非晶碳和鐵催化劑雜質被清除，形成幾十納米的顆粒，纖維束內的碳管被純化，碳管間的排列取相變規整。如圖2所示。
實施例二將採用雷射蒸發合成的單壁碳納米管纖維束，粗1毫米，長2釐米一端連在直流電源的負極，將電壓調24伏特，將另一電極快速點觸纖維束的另一端，離開，在觸點處可觀察到有電火花放出。整個過程在空氣中進行。對放電處理的碳納米管纖維取樣，放到透射電鏡銅網上觀察，可見纖維點火花放電的端部被切割。如圖4所示。
實施例三將採用電弧放電合成的非晶碳納米管絮狀物，體積5mm×5mm×5mm，的一端連在直流電源的一極，將電壓調24伏特，將另一電極快速點觸非晶碳納米管絮狀物的另一側，在觸點處可觀察到有電火花放出。整個過程在空氣中進行。對放電處理的碳納米管絮狀物取樣，放到掃描電鏡和透射電鏡銅網上觀察，可見原來非晶碳納米管表面的非晶層被剝離，形成表面清潔的單壁碳納米管束。原來的非晶層被轉變成直徑為20nm的粒子。如圖6所示。
實施例四將採用金屬鐵催化劑氣相合成的碳納米管纖維束，粗1毫米，長2釐米一端連在直流電源的負極，採用交流電源，電壓調至50伏特，將另一極快速點觸纖維束的另一端，離開，在觸點處可觀察到有電火花放出。整個過程在空氣中進行。對放電處理的碳納米管纖維取樣，放到透射電鏡銅網上觀察，發現纖維內碳管排列取向變整齊，碳管表面非晶碳得以去除。
權利要求
1.一種用電弧放電處理碳納米管的方法，該方法針對碳納米管纖維束，其特徵在於包括以下具體步驟在空氣中或是在惰性氣氛保護下對碳納米管束的兩端直接施加10～100伏的直流或交流電壓，使之在瞬間產生電火花，去除碳納米管表面的附著金屬或氧化物催化劑和剝離沉積的非晶碳層，並實現碳納米管的定向排列和其兩端的切割。
全文摘要
本發明公開了一種用電弧放電處理碳納米管的方法，屬於碳納米管純化和定向排列技術。該方法包括以下具體步驟對碳納米管直接施加電壓和電流，進行電火花處理，去除碳納米管表面的附著金屬或氧化物催化劑和剝離沉積的非晶碳層，與此同時，切割、定向排列碳納米管。本技術所採用的電火花處理可在空氣中進行，也可在惰性氣氛中進行。施加電壓可為直流也可為交流，電壓10～100伏，電流0～10安培。本發明的優點在於能完全去除碳管表面用其它方法難以去除的非晶碳和金屬雜質，達到純化碳納米管的目的；另外，此方法還可切割碳納米管，獲得定向排列的碳納米管。
文檔編號C30B33/00GK1903710SQ200610014780
公開日2007年1月31日 申請日期2006年7月17日 優先權日2006年7月17日
發明者李亞利, 劉湘 申請人:天津大學