NaLi基催化剂化学气相沉积碳纳米管阵列的研究

摘 要：该研究采用Na/Li基催化剂，乙炔为碳源，在600，650 ℃化学气相沉积碳纳米管阵列。结果表明Na：Li的比例，前躯体的种类和沉积温度对碳纳米管阵列的形貌和取向有较大影响。

关键词：Na/Li 催化剂 碳纳米管阵列 化学气相沉积

中图分类号：TB383 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（c）-0019-01

碳纳米管和碳纳米管阵列具有优异的电，机械，化学等性能。它们在场发射，电磁屏蔽，电化学等领域具有很大的应用潜力。碳纳米管的制备方法主要是采用金属催化剂如铁，钴，镍等和各种碳源如乙炔，苯。然而，金属催化剂的使用使反应产物的提纯变得复杂。该研究采用碱金属化合物做为催化剂，乙炔为碳源制备碳纳米管阵列。此阵列的优点是与基体有较好的结合力，阵列中的碳纳米管直径较大。

1 实验部分

原料是分析纯的Na2CO3，LiCl和Li2CO3。催化剂的制备是按Na：Li的原子比为5∶1和1∶1分别称取一定质量的Na2CO3/LiCl和Na2CO3/Li2CO3，放进研钵研磨成细小的颗粒，加入适量蒸馏水调成糊状，备用。将制备好的膏状催化剂尽量涂均匀涂在硅片上。用镊子将涂好的硅片依次放入玻璃管中，记准各个硅片的相对位置。把装有硅片的玻璃管放入管式炉中。将管式炉加热到650 ℃后，通氩气30 min，气流速度为300 mL/min。然后将炉温调到600 ℃，650 ℃关掉氩气并以200 mL/min通入乙炔，1 h后关掉乙炔，通入氩气以防降温时样品被氧化。当炉温降至50 ℃以下将样品取出放入试样袋。沉积产物用扫描电子显微镜（日本电子公司JSM-6700F）观察形貌。

2 结果与讨论

使用Na2CO3/LiCl 混合催化剂，Na：Li为1∶1，5∶1时，600和650 ℃沉积的产物形貌如图1所示。从图1a中可以看出当催化剂成份为Na：Li=1：1时，600 ℃时沉积的产物主要为不规则的碳颗粒，这些碳颗粒相互粘结，有很少的纤维生成。图1b显示650 ℃时沉积产物主要为直径约为100 nm取向较好的碳纳米管，碳纳米管具有顶端封口结构。碳纳米管的直径较均匀。图1c显示当催化剂成份为Na：Li=5∶1，600 ℃沉积产物为50 nm左右的碳纳米管阵列，但长度较短，碳纳米管阵列取向较好。图1d显示650 ℃沉积的是直径约为80 nm的碳纳米管阵列，长度较长。研究还发现这些碳纳米管在根部有很大程度的缠绕。这说明碳纳米管虽然紧密缠绕但仍然保持了独立的生长过程。

使用Na2CO3/Li2CO3催化剂，Na∶Li为1∶1，5∶1时，600和650℃沉积的产物形貌如图2所示。从图2a中可以看出当催化剂成份为Na∶Li=1∶1时，反应温度为600 ℃时的沉积产物为直径约300 nm的短纤维。虽然从扫描电镜观察不到是管状结构，但从前期研究结果预测是碳纳米管，并且顶端是封口的。图2b显示当反应温度为650 ℃，催化剂成份为Na∶Li=1∶1时，沉积的碳纳米管直径均匀约为200 nm，取向非常好。照片清楚的显示碳纳米管的开口结构。图2c显示当催化剂成分为Na∶Li=5∶1，反应温度为600 ℃时的沉积产物是直径约为100 nm的碳纳米管并且顶端是开口的。这些碳纳米管直径较均匀并且取向较好。同时，图中可以看出覆盖在碳纳米管上的催化剂。很显然，这些催化剂是吸潮后流动到碳纳米管顶部的。图2d显示当反应温度为650 ℃时，沉积的碳纳米管直径约200 nm，有的开口，有的是闭口，有的是尖端结构。碳纳米管取向不是很理想。通过对碳纳米管根部观察，碳纳米管在根部相互连接形成一层碳膜结构。前期研究表明是这些碳膜把碳纳米管连接成一个整体。

3 结语

该研究采用了创新性的碱金属化合物催化剂，化学气相沉积碳管阵列。研究结果表明Na/Li复合催化剂的比例及其前躯体种类和反应温度都对产物的形貌有较大影响。反应温度的提高有助于碳纳米管的生长和取向。Na2CO3/LiCl催化剂制备的碳纳米管直径较细，约50～100nm，但取向一般和顶端闭口结构。Na2CO3/Li2CO3催化剂制备的碳纳米管直径较大约150～200nm，但取向较好和顶端开孔的结构。

致谢：作者感谢国家自然科学基金对此研究的资助（项目号：51172114， 51372126）。

参考文献

[1] 魏飞，张强，骞伟中，等.碳纳米管阵列研究进展[J].新型炭材料，2007，22（3）：271-282.

[2] W.Z.Li，S.S.Xie，L.X.Qian.Large―Scale Synthesis of Aligned Carbon Nanotubes[J].Science，1996，274（5293）：1701-1703.

[3] 盛雷梅，范守善.金属基底上定向碳纳米管阵列的生长及其场发射性质[J].真空科学与技术学报，2005，25（4）：249-251.