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CVD法工业化生产纳米碳管的研究2

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Vol 134No 14・14・化工新型材料N EW CH EMICAL MA TERIAL S 第34卷第4期2006年4月基金项目:武汉市重大项目纳米专项基金资助(20041003068)作者简介:余雪里,男,硕士研究生,主要从事碳纳米材料的研究。

CV D 法工业化生产纳米碳管的研究余雪里1　徐向菊1　梁　英1　许雪笙2　贾志杰1(1.华中师范大学纳米科技研究院,武汉430079;2.山西潞安集团聚氯乙烯项目筹备处,潞安046204)摘　要　以乙炔为原料气,用工业化生产炉代替小型实验研究炉批量制备出了纳米碳管,产量为150g/h 。

TEM 图和Raman 光谱结果表明,纳米碳管管径均匀分布在20～30nm 间,具有很高的石墨化程度。

同时,讨论了生产炉结构、工艺参数以及裂解温度、裂解时间和原料气流量对纳米碳管的影响。

关键词　纳米碳管,工业化,CVD 法Industrialization synthesis for carbon nanotube by CV D methodYu Xueli 1　Xu Xiangju 1　Liang Y ing 1　Xu Xueshen 2　Jia Zhijie 1(1.Instit ute of Nano 2science and Technology ,Hua Zhong Normal U niversity ,Wuhan ,430079;2.Office of PVC Item of L uan Combine ,L uan 046204)Abstract In this paper ,carbon nanotubes were synthesized by the industry f urnace instead of small study f ur 2nace using C 2H 2as raw material with high yield of 150g/h.TEM and Raman spectrum showed that The diameter of products is 20～30nm and carbon nanotubes have good quality .And a systemic discussion about the effect of tempera 2ture ,time ,flow rate of source gas and the technical parameters on the products was carried out.K ey w ords carbon nanotubes ,industrialization ,CVD method 纳米碳管自1991年被Iijima 发现以来,一直受到人们的广泛关注。

纳米碳管作为准一维碳素新材料,在力学、电学、材料学等方面具有独特性能,在很多领域拥有潜在的应用价值。

目前,合成纳米碳管的方法很多,其中碳氢化合物催化裂解法(CVD )具有制备方法简便、条件容易控制、可大规模生产等优点,同时所得产品杂质含量少,石墨化程度高,成为批量制备纳米碳管的重要方法。

但是,连续大批量工业化生产纳米碳管仍有许多问题要解决,其中最关键性难题是确定炉膛扩大后的工艺参数。

因为用工业化生产炉代替小型实验研究炉不仅是简单的空间扩大,而要涉及到原来实验数据的改变。

笔者在小型研究炉的基础上自行设计了工业化生产炉,并不断改进工业炉的结构,最终确定了用CVD 法工业化制备纳米碳管的条件。

1　实验部分1.1　催化剂的制备催化剂的制备采用溶胶2凝胶法:首先将硝酸铁[Fe (NO 3)3・9H 2O ,A R ]和硝酸铝[Al (NO 3)3・9H 2O ,AR ]按1∶3的比例混合溶于水,同时不停的搅拌,缓慢加入氨水到p H =10为止,达到共沉淀后离心,再放入烘箱中烘干8h ;用球磨机碾磨1h ,再600℃煅烧3h ;又用球磨机碾磨015h ,最后得到均匀褐色的粉末催化剂。

1.2　工业化生产炉装置的改装实验初,工艺参数按小型研究炉进行实验。

进气口是小进气口(直径1cm ),结果发现,碳易在进气第4期余雪里等:CVD 法工业化生产纳米碳管的研究口处沉积而堵塞进气口。

改为粗进气口(直径10cm )后观察到,通气不久指示温度就下降了20～30℃。

通过实测,炉膛内温度为660～680℃,比设定温度(研究炉的最佳裂解温度760℃)下降了80～100℃。

原因是,大量冷气流对恒温区的冲击导致温度的急剧降低,结果只有一层炭黑铺在催化剂上,没有纳米碳管的生成。

当一口改为多口时,虽分散了大量冷气流对恒温区的影响,但也只有少量纳米碳管,杂质很多,其原因仍是冷气流对恒温区的影响。

最后在加长了一段炉膛先预热冷气流,并适当提升裂解温度后,才得到质量较好纳米碳管,见图1。

图1　CVD 法生产碳纳米管的卧式工业炉的简图1.进气口;2.反应区;3.预热区;4.陶瓷舟;5.出气口;6.电阻炉2.3　纳米碳管制备制备纳米碳管所用的反应装置如图1(炉膛规模为:高20cm ,宽40cm ,长130cm )所示,反应开始前先检查整个反应系统的气密性。

再将粉末状催化剂200g 分别平铺在两块陶瓷舟(30cm ×30cm )上,置于卧式工业炉的恒温区中,然后通入氩气(流量为2L/min ,时间40min ),排净反应系统内的空气,再通入氢气(流量为2L/min )时间为60min 还原催化剂,后通入乙炔气体,裂解温度、流量和时间依研究需要而定,最后在氩气气氛下(流量为2L/min )冷却至室温,收集产物。

2.4　样品测试用H ITAC HI 公司的H 2600型TEM 电镜观察其微孔结构和尺寸大小,REN ISHA W 公司的RM1000型激光共聚焦拉曼光谱仪辅助分析,并对产率=碳管净重/(产物净重-催化剂净重)指标进行了实测。

2　结果与分析在原料气流量为6L/min 、裂解时间为30min 的条件下,不同裂解温度产物的TEM 检测结果如图2a ～c 所示。

由图可看出,760℃时,产物分布不均匀,无定型碳与纳米碳管交错分散;810℃时,纳米碳管管径均匀,分布较分散杂质很少;860℃时,纳米碳管管径较细,但产物分布紊乱,杂质也越来越多。

a.760℃b.810℃c.860℃图2　不同裂解温度下产物的TEM 图 另外,裂解温度除了对碳纳米管的形貌有影响外,还对其产率有很大的影响,见表1。

表1　不同裂解温度下的产率样品反应温度/℃产率/%(W )17000276013381078486054 在裂解温度为810℃、原料气流量为6L min 的条件下,不同裂解时间对产率的影响见表2。

表2　不同反应时间下的产率样品反应时间/min产率/%(wt )12018240533507646056・51・化工新型材料第34卷 在裂解温度为810℃、裂解时间为50min 条件下,不同原料气流量对产率的影响如表3所示。

表3　不同原料气流量下的产率样品原料气流量/(L ・min -1)产率/%(wt )11152227333244415556667377648828图3　纳米碳管的Raman 光谱图3是图2c 的Raman 光谱,由图可看出,产物的G带和D 带的位置分别位于1574cm -1和1354cm -1。

前者明显强于后者,说明纳米碳管具有很高的结晶度和石墨化程度。

由纳米碳管的生长机理[1,2]可知,用工业化生产炉制备纳米碳管要解决的关键性问题是:保证裂解区处在最佳恒温裂解区。

为了解释方便,特定义一个概念:功率密度=额定功率/表面积。

我们用的工业化生产炉和小型研究炉的功率大体相当,但表面积却比小型研究炉大10倍以上。

换言之,工业化生产炉的功率密度不到小型研究炉的十分之一。

所以,小型研究炉制备纳米碳管时,可以忽略原料气气流对恒温裂解区的影响;而工业化生产炉制备纳米碳管时,就不能忽略原料气气流对恒温裂解区的影响。

由此,温度低,原料气在炉膛内变成焦油,没有纳米碳管的生成;随着温度的一定升高,碳在催化剂中迁移就快,利于碳的析出,催化剂的催化作用发挥得也比较充分,纳米碳管的质量也呈上升趋势;但温度过高,原料气裂解过快,碳原子容易团聚覆盖在催化剂表面影响其作用。

另外,温度过高也会让催化剂失去原有的活性,所以,当温度高达860℃时,纳米碳管的质量就有所下降。

但,工业化生产炉的810℃的最佳裂解温度对于760℃的实验温度还是太高,其根本原因是,工业化生产炉的炉膛不仅表面积大,需要补充的热量多,而且大量气体带走了许多热量,在一定的功率密度的情况下,热量补充就不足。

因此,只有适当提高温度以达到平衡。

原料气流量小,不仅容易因碳的沉积而堵塞进气口,而且需要的时间多,产量也少,不符合工业化生产的要求;原料气流量过大,微小催化剂颗粒不能及时与碳源反应再次发生融并,多余的碳就会沉积下来,无定型碳就增多。

同样,裂解时间如果太短,产量就会少,催化剂反应不充分;但太长,催化剂已经完全反应,会增加无定型碳的量。

因而,只有适宜的裂解温度、裂解时间和原料气流量才能工业化生产纳米碳管。

3　结　论以乙炔作碳源,用工业化生产炉可连续制取纳米碳管。

其最佳工艺参数为:裂解温度:810℃,原料气流量:先缓慢加大到1L/min 通5min ,再慢慢加大到2L/min 又通5min ,后保持6L/min40min ,裂解时间:共50min 。

参考文献[1]　Ivanov V ,Nagy J B ,Lambin P.etc.The study of carbonnanotubes produced by catalytic met hod [J ].Chem Phys Lett ,1994,223:3292335.[2]　Amelinckx S ,Zhang X B ,Bermaert s D ,et al etc.Aformationmechanism for catalytic grown helix shaped graphite nano 2tubes [J ].Science ,1994,256:6352639.收稿日期:2005211228修稿日期:2005212208・61・。

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基于气相沉积的碳纳米管材料的制备与应用

基于气相沉积的碳纳米管材料的制备与应用

基于气相沉积的碳纳米管材料的制备与应用近年来，随着科技的飞速发展，碳纳米管（Carbon Nanotube，CNT）材料得到了广泛的研究与应用。

碳纳米管具有优异的力学、电学、热学等性能，成为了研究者们关注的热点。

而碳纳米管的制备技术就显得尤为重要了。

其中，气相沉积是一种常见而有效的制备碳纳米管的方法，因此本文将讨论碳纳米管的制备与应用，探索其未来的发展前景。

一、气相沉积法制备碳纳米管气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，CVD）是一种基于碳源的碳纳米管制备技术。

通常采用金属催化剂，如铁、镍或钴等，作为碳源的催化剂，使碳源在高温下与催化剂相互作用，生成碳纳米管。

碳纳米管的制备通常要经过以下几个步骤：1. 催化剂的制备。

在气相沉积过程中，催化剂的质量和形状都会对碳纳米管的性能产生影响。

通常，催化剂都是通过高温还原法来制备的。

2. 热处理。

在制备碳纳米管之前，需要进行前处理，如对催化剂进行高温热处理等，以提高催化剂的反应活性。

3. 碳源的供给。

常见的碳源包括乙烯、甲烷、丙烯等。

这些碳源按一定流量，在高温下向热处理后的催化剂表面提供碳源。

4.生长过程。

碳源被分解，产生碳原子并被吸附在催化剂表面形成碳纳米管。

二、碳纳米管在纳米科技领域的应用1. 碳纳米管在电学领域碳纳米管具有优异的电学性能。

它们的导电性与金属相当，也能作为半导体使用。

因此，在电极材料和电器元件方面有着广泛的应用。

例如，碳纳米管场发射显示器、柔性透明薄膜等。

2. 碳纳米管在机械领域碳纳米管的结构可作为纳米机械器件的构建单元，其高弹性和耐磨性属性则适合用来制作复杂的机械部件。

3. 碳纳米管在材料科学中的应用由于碳纳米管具有优异的力学性能以及化学稳定性，它们被广泛应用于材料科学领域，例如复合材料、强化材料等。

三、碳纳米管的应用前景展望碳纳米管的制备技术不断完善，其在医疗领域、新能源领域的应用也变得越来越广泛。

例如，碳纳米管可被用于制作纳米传感器，检测体内病变变化，也可用于制作太阳能电池、锂离子电池等。

化学气相沉积法快速生长定向纳米碳管

化学气相沉积法快速生长定向纳米碳管

化学气相沉积法快速生长定向纳米碳管1. 引言1.1 概述化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，CVD）是一种重要的纳米材料制备技术，它以气相反应为基础，在适当的催化剂存在下，通过控制反应条件，可以实现高效、快速生长定向纳米碳管。

1.2 文章结构本文将首先概述化学气相沉积法的原理和应用领域。

其次，详细解释纳米碳管的形成过程中催化剂选择与制备、反应条件控制以及生长机理研究等方面的关键问题。

接着，重点介绍了快速生长定向纳米碳管技术的优势，包括高效性能、控制性能和大规模生产潜力。

最后，展望该技术在工业应用中的前景，并提出研究挑战和发展方向，并总结全文并强调相关研究意义。

1.3 目的本文旨在系统地介绍化学气相沉积法在快速生长定向纳米碳管方面的研究进展与应用前景，并针对相关问题提出未来研究的方向和挑战。

通过本文的撰写，期望能够加深人们对于该技术的理解，并为纳米碳管的合成与应用提供有益的指导与启示。

2. 化学气相沉积法概述2.1 定义与原理化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，简称CVD）是一种常用的纳米碳管生长方法。

它通过控制气体在特定温度和压力下在催化剂表面发生化学反应，使碳原子从气相转移到固相，从而实现纳米碳管的快速生长。

该法的基本原理是将所需碳源和载气引入高温炉中，在合适的反应温度下使其分解或反应，并在催化剂表面进行扩散聚集为纳米晶粒或结晶顺序，最终形成碳管结构。

2.2 应用领域化学气相沉积法广泛应用于纳米科技领域，尤其在纳米碳管的制备方面具有优势。

它可以快速、有效地合成具有定向性和优良性能的纳米碳管，并在以下领域得到应用：1) 纳米电子器件：利用纳米碳管的优异电导性能和结构特点，可制备超高频逻辑电路、多层次集成电路以及场发射显示器等。

2) 催化剂载体：纳米碳管作为催化剂的载体，可以提高其稳定性和活性，广泛应用于化学反应、能源转换等领域。

3) 传感器：利用纳米碳管的高度灵敏性和特殊结构，可制备高灵敏度和选择性的传感器，如气体传感器、生物分子传感器等。

碳纳米管材料的制备与应用

碳纳米管材料的制备与应用

碳纳米管材料的制备与应用随着科技的不断发展，人类需要的材料也越来越多样化。

其中，碳纳米管材料已经逐渐成为各个领域的研究热点。

碳纳米管是由碳原子组成的管状结构，具有优异的电学、热学和机械性能，因此在材料科学、能源、电子学、生物医学等领域都有广泛的应用。

本文将着重讨论碳纳米管的制备与应用。

一、碳纳米管的制备方法碳纳米管的制备方法分为两类：化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。

其中，化学气相沉积是目前主流的制备方法。

1. CVD法CVD法是一种将碳源物质通过高温反应在衬底上形成碳纳米管的方法。

该方法在过去几十年间被广泛应用。

其原理是将在高温下分解的碳源物质(MgO、Fe、Co、Ni等金属薄膜)与甲烷(CH4)等碳源反应，生成碳纳米管。

产生的碳纳米管在金属薄膜上进行生长，成品碳纳米管可以被用于许多领域，如生物医学、电子学和机械工程。

2. PVD法PVD法是物理气相沉积法，是将高温高真空条件下的碳到金属薄膜表面，使其发生化学反应产生的碳纳米管。

PVD法和CVD法相比，能够控制制备的材料的形态，所以在某些行业中得到了广泛应用。

二、碳纳米管的应用碳纳米管可应用于生物医学、电子，机械工程等诸多领域中。

下面我们将简述几个典型应用案例。

1.生物医学碳纳米管是最有前途的纳米生物材料之一，具有良好的潜在应用前景。

例如，在体内使用碳纳米管作为药物载体能够提高药物在体内的分布，从而改善治疗效果。

同时还可以在生物医学领域中应用到组织修复等方面。

虽然在生物医学应用领域，碳纳米管还有各种缺陷需要克服，但其无疑是一个相当有前景的材料。

2. 电子碳纳米管在电子领域中的应用被认为是随着大小更小的范围的涌现而产生的。

碳纳米管的应用在电学方面主要有两个方面：体积很小时还能保持完美的电性；因其结构的高度均匀性而成本效益较高。

3. 机械工程由于碳纳米管的力学性质优异，具有较高的韧性和高强度，可以有效解决一些结构耐磨、化学稳定度和热稳定度较差、承载能力不足，同时仍具有大量不仅仅是机架化的性能的问题，也具有广泛的应用和前景。

碳纳米管工业化生产方法

碳纳米管工业化生产方法

碳纳米管工业化生产方法碳纳米管工业化生产方法碳纳米管是一种具有极高强度、优异导电性和热导性的纳米材料，具有巨大的应用潜力。

然而，要将碳纳米管从实验室中的小样本生产转化为大规模工业化生产，面临着诸多挑战。

本文将介绍一种碳纳米管工业化生产的方法，以期推动碳纳米管的商业化应用。

首先，为了实现碳纳米管的工业化生产，需要优化碳纳米管合成的方法。

目前，碳纳米管的制备方法主要有化学气相沉积法（CVD法）和电弧放电法。

其中，化学气相沉积法是较为常用的方法，具有生产效率高、产品质量较好的优点。

在CVD 法中，首先需要选择合适的碳源和催化剂，如乙烯和铁、镍等金属。

然后，在适当的反应温度下，将碳源和催化剂引入反应室中，并通过控制反应时间和气体流量来调节碳纳米管的直径和长度。

最后，通过一系列的分离和净化步骤，得到纯净的碳纳米管产品。

其次，碳纳米管的生长过程中，还要解决碳纳米管的定向生长和控制直径分布的问题。

在CVD法中，碳纳米管的定向生长受到基底晶格的限制，导致碳纳米管的生长方向随机分布。

为了解决这个问题，可以使用晶体基底或纳米颗粒作为模板，在其表面形成特定的晶格结构，从而引导碳纳米管的生长方向。

此外，通过改变碳源和催化剂的比例，可以控制碳纳米管的直径分布。

研究人员还可以利用不同的金属催化剂和特殊的沉积条件来调节碳纳米管的直径和长度，以满足不同领域的需求。

此外，为了实现碳纳米管的工业化生产，还需要提高碳纳米管的纯度和产量。

目前，碳纳米管中常含有过多的杂质，如金属催化剂残留和碳纳米管外壳上的碳纳米颗粒。

这些杂质会影响碳纳米管的性能和应用。

为了降低杂质含量，可以通过选择合适的碳源和催化剂，优化反应条件，以及采用高温热处理等方法来实现。

另外，为了提高碳纳米管的产量，可以改进反应装置的设计，增大反应室的规模，并提高碳源和催化剂的利用率。

最后，为了推动碳纳米管的工业化生产，还需加强相关的标准制定和质量控制体系建设。

由于碳纳米管是一种新材料，目前还缺乏统一的产品标准和质量认证方法。