氢气原位弱刻蚀生长高质量半导体性单壁碳纳米管的方法

摘要

本发明涉及高质量半导体性单壁碳纳米管的制备领域，具体为一种氢气原位弱刻蚀直接生长高质量半导体性单壁碳纳米管的方法。以二茂铁等为催化剂前驱体、硫粉为生长促进剂、有机低碳烃为碳源的条件下，通过调节优化载气氢气的流量，在一定反应温度下可原位刻蚀掉金属性和小直径单壁碳纳米管，最终获得高质量、半导体性占优的单壁碳纳米管，其中半导体性单壁碳纳米管的含量≥91wt%，直径分布在1.5-2.5nm之间，集中氧化温度最高达到800℃。本发明实现了较窄直径分布、高质量、半导体性单壁碳纳米管的大量、快捷、低成本控制生长，有效避免了选择性制备导电属性占优的单壁碳纳米管过程中，强刻蚀剂对样品损坏严重以及制备工艺复杂、产量低、成本较高等问题。

主权项

一种氢气原位弱刻蚀生长高质量半导体性单壁碳纳米管的方法，其特征在于，以二茂铁、二茂镍、二茂钴或二茂铜为催化剂前驱体、硫粉为生长促进剂、氢气为载气和刻蚀气体，在温度1000‑1100℃下同时通入碳源气体，并调控氢气流量进行单壁碳纳米管的生长及原位刻蚀，去除小直径半导体性单壁碳纳米管和金属性单壁碳纳米管，最终获得半导体性单壁碳纳米管占优的样品，半导体性单壁碳纳米管含量≥91 wt%；在氢气保护下，先将化学气相炉温度升至1000‑1100℃；再调节氢气流量至相应值，并通入碳源气体；然后将二茂铁、二茂镍、二茂钴或二茂铜和硫粉同时置于炉温为80‑90℃处，二茂铁、二茂镍、二茂钴或二茂铜在所述温度下分解出催化剂纳米铁颗粒、纳米镍颗粒、纳米钴颗粒或纳米铜颗粒，在催化单壁碳纳米管生长的同时，也催化氢气分解氢自由基，继而对金属性和小直径单壁碳纳米管进行原位刻蚀，氢气流量为1700‑3000毫升/分钟，二茂铁、二茂镍、二茂钴或二茂铜与硫粉的重量比为200‑100，碳源气体的流量为10‑30毫升/分钟，时间为20‑40分钟；氢气既作为载气又作为刻蚀性气体，氢气的刻蚀性源于在1000℃以上的高温及催化剂纳米铁颗粒、纳米镍颗粒、纳米钴颗粒或纳米铜颗粒作用下，催化氢气离解成氢自由基，并与碳纳米管发生反应；宏量样品的高质量特征是通过热分析实验来表征的，高质量半导体性单壁碳纳米管的集中氧化温度高于720℃；在热分析实验前，半导体性单壁碳纳米管采用低温氧化提纯，步骤为：将制备得到的单壁碳纳米管样品在空气气氛下低温、长时间氧化以去除无定形炭杂质，温度为350‑380℃，氧化时间为3‑10 小时；再用浓度为15‑35 wt%的盐酸溶液浸泡上述样品以去除金属催化剂颗粒，并用去离子水清洗干净和真空干燥。