探究低碳納米材料的制備方法

安徽大學(xué)電子信息工程學(xué)院　宋鈺姿

探究低碳納米材料的制備方法

安徽大學(xué)電子信息工程學(xué)院宋鈺姿

現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的進(jìn)程中，碳納米材料以導(dǎo)電性能優(yōu)異的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電子領(lǐng)域，因此，掌握碳納米材料的制備方法便具有良好的現(xiàn)實(shí)意義。本文首先對(duì)碳納米材料作了相應(yīng)的簡(jiǎn)介說(shuō)明，然后對(duì)碳納米材料的制備方法從石墨電弧法、化學(xué)氣相沉積法、激光蒸發(fā)法和其他方法等方面進(jìn)行探究，從而提升電子器件領(lǐng)域的材料特性。

碳納米管；石墨烯；碳納米材料；制備方法；分析探究

1.引言

當(dāng)前，不管是人們的日常生活還是企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)都離不開(kāi)材料的運(yùn)用，而碳納米材料在材料的應(yīng)用中較為廣泛，逐步引領(lǐng)現(xiàn)代科學(xué)的先進(jìn)潮流。如2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)表彰的就是制備出石墨烯的兩位科學(xué)家，石墨烯就是一種典型的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的低碳納米材料，其突出的導(dǎo)電性能與電子遷移速度使得它在光電顯示、半導(dǎo)體、觸摸屏等領(lǐng)域中的應(yīng)用有著非常好的發(fā)展前景。那么，碳納米材料的制備方法也越來(lái)越地得到人們的重視，掌握有效的碳納米材料的制備方法對(duì)于提高電子產(chǎn)品的性能以及控制生產(chǎn)成本是極其重要的。

2.碳納米材料簡(jiǎn)介

納米材料通常是指晶粒結(jié)構(gòu)屬于納米級(jí)別，范圍介于1-100nm的材料，由于納米材料的特殊結(jié)構(gòu)特性，使得納米材料相對(duì)于固體材料而言，它的光、熱、電方面的性能有一定的優(yōu)勢(shì)，超微粒子材料（顆粒尺寸在0.1-100nm的微粒）便是其中一種特殊的納米材料。

基于納米材料的特殊物理、化學(xué)特性，現(xiàn)代社會(huì)中將納米材料應(yīng)用到電子器件或其它儀器設(shè)備的規(guī)模也越來(lái)越大，其中，新型碳材料的發(fā)展運(yùn)用更是極大地提高了性能。碳納米材料（包括碳納米管、碳納米纖維、納米碳球等三種類(lèi)型）作為新型碳材料中的代表，在硬度、導(dǎo)電性、耐熱性、光學(xué)特性硬度等方面中均展現(xiàn)出了其優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)樘荚鼐哂蠸P、SP2、SP3雜化的多樣電子軌道特性，使得碳素材料與納米材料結(jié)合而成的新型材料性能大大提升，當(dāng)前來(lái)看，碳納米材料尤其在電子器件領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。

圖1　石墨電弧法工藝裝置

3.低碳納米材料的制備方法

3.1石墨電弧法

碳納米管（也稱(chēng)作巴基管）是碳納米材料中的典型類(lèi)型，最初制備巴基管采用的方法便是石墨電弧法。石墨（graphite）在制備工業(yè)中常作為鋰離子電池的陽(yáng)極材料，或者是作為電化學(xué)催化劑的良好載體，而石墨電弧法是用石墨電極在合理的空間范圍內(nèi)放電，石墨電極間會(huì)產(chǎn)生直流電弧，然后從所得陰極沉積物中將碳納米材料進(jìn)行收集的方法。如圖1所示，是石墨電弧法的工藝裝置。在經(jīng)過(guò)改良的石墨電弧法中，我們可以以石墨為電極材料，制備環(huán)境在真空室中，事先將金屬釔、鎳粉末（按Y：1%，Ni：4.2%的比例）與石墨粉末均勻混合，然后將混合而成的粉末加入鉆好孔的陽(yáng)極中，由于整個(gè)過(guò)程處于惰性氣體的空間環(huán)境，石墨電極中的陽(yáng)、陰兩極會(huì)因惰性氣體與金屬釔、鎳的催化反應(yīng)而產(chǎn)生電弧，最終我們可以在石墨電極的陰極中收集到一定量的碳納米材料。

3.2化學(xué)氣相沉積法

在無(wú)機(jī)材料的制備中，化學(xué)氣相沉積法（又稱(chēng)為催化裂解法）是近幾十年來(lái)發(fā)展而起的新技術(shù)，這種新技術(shù)在高度提純材料方面有著良好的發(fā)展前景。基種法是屬于化學(xué)氣相沉積法中的一種，具體的制備過(guò)程為：首先準(zhǔn)備合適的基體，使催化劑（常見(jiàn)的有鐵、鈷和鎳）均勻分布在基體表面，還原催化載體可選用H2，碳源則由有機(jī)氣體（如乙炔、乙烯）和N2相混合后催化裂解而成，此法利用在電阻爐空間范圍里碳源與催化劑發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，使得裂解出的C原子附著在基體表面，最后再將所得碳納米材料收集起來(lái)。如圖2所示，是用基種法制備納米管的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；從圖中我們可以看出，對(duì)于裂解溫度（/K）、碳納米材料產(chǎn)量（/g）、碳的轉(zhuǎn)化效率（%）以及裂解時(shí)間（/min）需要控制得當(dāng)，才能將丙烯流量（ml/ min）、生長(zhǎng)速率（g/h）相對(duì)應(yīng)提高；當(dāng)裂解溫度保持在983K，丙烯流量控制在200ml/min時(shí)，隨著碳納米管產(chǎn)量的提高，其生長(zhǎng)速率也相應(yīng)地上升。所以，在用化學(xué)氣相沉積法制備碳納米材料的過(guò)程中，根據(jù)制備要求選擇好合適的溫度、流量對(duì)于提高材料制備的轉(zhuǎn)化效率都是有很大的幫助的。

圖2　基種法制備納米管的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3激光蒸發(fā)法

對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的碳納米材料有著不同的制備手段，而單壁碳納米管的制備一般采用的方法就是激光蒸發(fā)法，它是保證單壁碳納米管得以成批制造的重要制備手段。激光蒸發(fā)法，顧名思義可以知道采取的激發(fā)手段是以激光的形式，一般是指（CO2激光或Nd/YAG激光）在真空電阻爐內(nèi)（溫度為1200攝氏度），充以流動(dòng)的氬氣，再用激光束蒸發(fā)石墨靶，其中，石墨靶（含金屬催化劑）中摻雜1.2%的顆粒直徑約1um的Ni：CO=1：1的金屬混合粉末，在激光束蒸發(fā)的石墨靶的過(guò)程中，石墨發(fā)生氣化現(xiàn)象，最后在銅柱中收集得到沉著的碳納米材料。但是，激光蒸發(fā)法制備碳納米材料的成本相對(duì)較高，而且制備出來(lái)的單壁碳納米管的純度不高。

3.4其他合成方法

當(dāng)然，除了前面所介紹的石墨電弧法、化學(xué)氣相沉積法以及激光蒸發(fā)法外，還存在幾種相對(duì)小眾、難以批量制備碳納米材料的方法，例如火焰法、離子束輻射法、電解法、原位合成法、模板法等；其

中，原位合成法是在碳、氫氣體和金屬/碳流的自由空間中合成碳納米材料的一種方法，是對(duì)碳納米材料如富勒烯、碳納米管和石墨烯的制備方法探究中有重要價(jià)值的一種手段，而富勒烯、碳納米管和石墨烯這三種材料分別具有堿金屬富勒烯超導(dǎo)性、高電導(dǎo)率、極快的電子遷移的速度的特性，是電子器件制成的絕佳選擇材料。

4.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，碳納米材料作為一種用途廣泛的新型材料，其發(fā)展前景是難以估量的。當(dāng)前來(lái)看，碳納米材料的制備工藝有著一定的復(fù)雜性，因技術(shù)的局限、成本高昂等因素影響，石墨電弧法、化學(xué)氣相沉積法和激光蒸發(fā)法是最為常用的制備手段，而每種制備工藝又決定著碳納米材料對(duì)應(yīng)的純度、轉(zhuǎn)換率等。因此，科學(xué)人員在制備碳納米材料時(shí)應(yīng)當(dāng)結(jié)合成本、實(shí)際條件、所需純度等方面著手出發(fā)，選擇合適的制備方法，才能充分發(fā)揮材料的優(yōu)質(zhì)性能并服務(wù)于電子器件生產(chǎn)領(lǐng)域。

［1］朱宏偉，吳德海，等.碳納米管［M］.北京：機(jī)械出版社，2003.114.

［2］AITO R，F(xiàn)UJITA M.DRESSELHAUS G，.DRESSELHAUS M S. Electronic structure and growth mechanism of carbon nanotubules［J］. Materials Science and Engieering，1993， B19：185-191.

［3］陳萍，張鴻斌，林國(guó)棟等.催化裂解CH4或CO制碳納米管結(jié)構(gòu)性能的譜學(xué)表征［J］.高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào)，1995，19（5）：7652769.

［4］CHERNOZATONSKII L A，VAL’CHUK K P，KISELEV N A，et al. Synthesis and structure investigation of alloys with fullerence and nanotube inclusions ［J］.Carbon，1997，35（6）：749-753.

［5］HUANG Y H，OKADA M，TANAKA K，YAMABE T.Estimationof super-conducting transition temperature in metallic carbon nanotubes ［J］.Physics Rev B，1996，53（9）：5129-5132.