專利名稱：碳納米管的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳納米管的制備方法，特別涉及一種摻有同位素的碳納米管的制備方法。
背景技術(shù)：
碳納米管是九十年代初才發(fā)現(xiàn)的一種新型一維納米材料。碳納米管的特殊結(jié)構(gòu)決定了其具有特殊的性質(zhì)，如高抗張強度和高熱穩(wěn)定性；隨著碳納米管螺旋方式的變化，碳納米管可呈現(xiàn)出金屬性或半金屬性等。由于碳納米管獨特的機械和電學(xué)性質(zhì)，其在材料科學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等交叉學(xué)科領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，可用作場發(fā)射器件、白光源、鋰二次電池、儲氫電池、陰極射線管或晶體管的電子發(fā)射源等。
現(xiàn)有碳納米管的制備方法主要是由1991年S.Iijima在Nature，354，56，Helical microtubules of graphitic carbon上公開的電弧放電法，1992年T.W.Ebbesen等人在Nature，358，220，Large-scale Synthesis of Carbon Nanotubes上公開的激光燒蝕法及1996年W.Z.Li等人在Science，274，1701，Large-ScaleSynthesis of Aligned Carbon Nanotubes上公開的化學(xué)氣相沉積法等。
同位素標(biāo)示方法是研究納米材料生長機理及納米尺寸同位素結(jié)的有力工具，其是利用在納米材料的合成過程中，將摻有某一特定元素(一般是輕元素，如碳、硼、氮或氧)的同位素的反應(yīng)物按照預(yù)定的濃度(以純物質(zhì)或混合物的形式)和順序使其參與反應(yīng)，從而制備出原位生長的同位素標(biāo)示的納米材料。
然而，現(xiàn)有公開文獻(xiàn)關(guān)于制備碳納米管的方法中均沒有涉及到摻有同位素的碳納米管的制備方法。

發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)中不存在摻有同位素的碳納米管，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種摻有同位素的碳納米管的制備方法。
為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供的一種制備方法，包括如下步驟設(shè)置一碳棒作為陽極，該碳棒包括至少兩個具有預(yù)定厚度的不同單一碳同位素片段，其中，沿棒長方向不同同位素片段可任意組合；設(shè)置一與該碳棒相對應(yīng)設(shè)置的陰極；使該碳棒與該陰極發(fā)生電弧放電，使該碳棒提供的不同同位素片段按預(yù)定次序發(fā)生反應(yīng)，生成摻有不同同位素的碳納米管，沉積于該陰極上。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明提供的方法可制備由不同的碳同位素交替生長的碳納米管，從而可用拉曼光譜或二次離子質(zhì)譜等方法記錄碳同位素原位生長的圖案，進(jìn)而研究碳納米管的生長機理，同時也可用本發(fā)明提供的方法合成摻有同位素異質(zhì)結(jié)的一維納米材料。

圖1是本發(fā)明第一實施例摻有同位素的碳納米管的示意圖。
圖2是本發(fā)明第一實施例制備摻有同位素碳納米管所用裝置示意圖。
圖3是本發(fā)明第二實施例摻有同位素的碳納米管的示意圖。
圖4是本發(fā)明第二實施例制備摻有同位素碳納米管所用裝置示意圖。
具體實施方式下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
請參閱圖1，第一實施例為摻有二種同位素的碳納米管10的制備，該碳納米管10是由12C組成的碳納米管片段102和由13C組成的碳納米管片段103混合組成，具有預(yù)定厚度的碳納米管片段102和103沿管長方向周期性或非周期性變化。在本實施例中制備該摻有同位素的碳納米管10優(yōu)選長度為10～1000μm，管的直徑為0.5～50nm。
第一實施例制備摻有同位素碳納米管的方法是電弧放電法，請參閱圖2，其具體步驟如下(1)設(shè)置一碳棒與電弧放電源的正極214相連作為陽極209，該碳棒包括多個具有預(yù)定厚度的不同單一同位素片段202，203，其中，沿棒長方向不同同位素片段202，203可根據(jù)需要周期性或非周期性排列。
上述碳棒可采用粉末分層壓制法制備。用Ni(質(zhì)量百分比濃度0～13％)和/或Y2O3(質(zhì)量百分比濃度0～48％)的催化劑粉末分別與由12C或由13C組成的高純碳粉顆粒粉末混合均勻制成兩種混合粉末；將含有12C的混合粉末在3500個大氣壓下壓緊，形成一段具有預(yù)定厚度的碳同位素片段202；再鋪一層含有13C的混合粉末，在3500個大氣壓下壓緊，在碳同位素片段202上形成一段具有預(yù)定厚度的碳同位素片段203；如此反復(fù)，制成直徑為10mm的碳棒。
另外，還可以采用漿料分層燒結(jié)的方法制作將12C和13C粉末單獨與上述催化劑粉末混合，配制成兩種漿料；涂/印一層含有12C漿料，烘干，形成一段具有預(yù)定厚度的碳同位素片段202；在碳同位素片段202上再印一層含13C漿料，烘干，形成一段具有預(yù)定厚度的碳同位素片段203；如此反復(fù)，最后根據(jù)需要可進(jìn)行燒結(jié)，制成碳棒。
(2)用普通純碳棒與電弧放電源的負(fù)極215相連作為陰極208使用；(3)把步驟(1)和(2)所制得的陽極209和陰極208相對而置，相距1.5～2mm，放進(jìn)電弧放電反應(yīng)室210中，并通過排氣通道216將電弧放電反應(yīng)室210抽真空后，再通過氣體輸入通道218通進(jìn)壓強為100～500Torr的氦氣；(4)接通電源，以100A的電流進(jìn)行電弧放電，放電電壓為20～40V，反應(yīng)首先生成的由12C組成的碳納米管片段(圖未示)，反應(yīng)預(yù)定時間后，含12C的碳同位素片段202被消耗完后，含13C的碳同位素片段203開始反應(yīng)，繼續(xù)生成由13C組成的碳納米管片段(圖未示)，最后形成摻有兩種同位素的碳納米管，在陰極208上沉積。
可以理解的是，碳棒摻有的兩種同位素可選擇12C、13C和14C中的任意兩種。
請參閱圖3，第二實施例為摻有三種同位素的碳納米管30的制備，該碳納米管30是由12C組成的碳納米管片段302、由13C組成的碳納米管片段303和由14C組成的碳納米管片段304混合組成，具有預(yù)定厚度的碳納米管片段302、303和304沿管長方向周期性或非周期性變化。在本實施例中制備摻有三種同位素的碳納米管30優(yōu)選長度為10～1000μm，管的直徑為0.5～50nm。
請參閱圖4，第二實施例為制備摻有三種同位素碳納米管的方法，其具體步驟如下(1)設(shè)置一碳棒與電弧放電源的正極414相連作為陽極409，該碳棒包括多個具有預(yù)定厚度的不同單一同位素片段402，403，404，其中，沿棒長方向不同同位素片段402，403，404可任意組合。
上述碳棒可采用粉末分層壓制法制備。用Ni(質(zhì)量百分比濃度0～13％)和/或Y2O3(質(zhì)量百分比濃度0～48％)的催化劑粉末與由12C組成的高純碳粉顆粒粉末混合均勻制成含12C的混合粉末，用同樣的方法，制成含有13C的混合粉末或含有14C的混合粉末；將含有12C的混合粉末在3500個大氣壓下壓緊，形成一段具有預(yù)定厚度的碳同位素片段402；在碳同位素片段402上再鋪一層含有13C的混合粉末在3500個大氣壓下壓緊，形成一段具有預(yù)定厚度的碳同位素片段403；在碳同位素片段403上再鋪一層含有14C的混合粉末，在3500個大氣壓下壓緊，形成一段具有預(yù)定厚度的碳同位素片段404，如此反復(fù)，制成直徑為10mm的碳棒。
另外，還可以采用漿料分層燒結(jié)的方法制作將12C、13C、14C粉末單獨與上述催化劑粉末混合，配制成三種漿料；先涂/印一層含12C漿料，烘干，形成一段具有預(yù)定厚度的碳同位素片段402；在碳同位素片段402上再印一層含13C漿料，烘干，形成一段具有預(yù)定厚度的碳同位素片段403；在碳同位素片段403上再印一層含14C漿料，烘干，形成一段具有預(yù)定厚度的碳同位素片段404，如此反復(fù)，最后根據(jù)需要可進(jìn)行燒結(jié)，制成碳棒。
(2)用普通純碳棒與電弧放電源的負(fù)極415相連作為陰極408使用；(3)把步驟(1)和(2)所制得的陽極409和陰極408相對而置，相距1.5～2mm，放進(jìn)電弧放電反應(yīng)室410中，并通過排氣通道416將電弧放電反應(yīng)室410抽真空后，再通過氣體輸入通道418通進(jìn)壓強為100～500Torr的氦氣；(4)接通電源，以100A的電流進(jìn)行電弧放電，放電電壓為20～40V，反應(yīng)首先生成的由12C組成的碳納米管片段(圖未示)，反應(yīng)預(yù)定時間后，消耗完含12C的碳同位素片段402，含13C的碳同位素片段403開始反應(yīng)，生成由13C組成的碳納米管片段(圖未示)，接著消耗完含13C的碳同位素片段403，含14C的碳同位素片段404開始反應(yīng)，繼續(xù)生成由14C組成的碳納米管片段(圖未示)，不斷消耗碳棒，最后形成摻有三種同位素的碳納米管，在陰極408上沉積。
可以理解的是，在制備上述碳棒時，可根據(jù)需要預(yù)先設(shè)定不同同位素片段的厚度，以及不同同位素片段沿棒長方向之次序組合；同位素片段可以選擇兩種或兩種以上。另外，也可以采用氬氣、氮氣或者是氫氣等代替氦氣作為保護(hù)氣使用；也可以在電弧反應(yīng)室上安有冷水管以免由于電弧放電產(chǎn)生的熱量過高。
本發(fā)明提供的方法可制備由不同的碳同位素交替生長的碳納米管，從而可用拉曼光譜或二次離子質(zhì)譜等方法記錄碳同位素原位生長的圖案，進(jìn)而研究碳納米管的生長機理，同時也可用本發(fā)明提供的方法合成摻有同位素異質(zhì)結(jié)的一維納米材料。
盡管結(jié)合優(yōu)選實施方案具體展示和介紹了本發(fā)明，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)明白，在形式上和細(xì)節(jié)上可以對本發(fā)明做出各種變化，而不會脫離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種摻有同位素的碳納米管的制備方法，其特征在于包括如下步驟設(shè)置一碳棒作為陽極，該碳棒包括至少兩個具有預(yù)定厚度的不同單一碳同位素片段；設(shè)置一與該碳棒相對應(yīng)設(shè)置的陰極；使該碳棒與該陰極發(fā)生電弧放電，使該碳棒提供的不同同位素片段按預(yù)定次序發(fā)生反應(yīng)，生成摻有不同同位素的碳納米管，沉積于該陰極上。
2.如權(quán)利要求1所述的碳納米管的制備方法，其特征在于該碳棒沿棒長方向的不同同位素片段可任意組合。
3.如權(quán)利要求2所述的碳納米管的制備方法，其特征在于不同同位素片段包括12C、13C、14C同位素片段。
4.如權(quán)利要求1所述的碳納米管的制備方法，其特征在于該碳棒采用粉末分層壓制法或漿料分層燒結(jié)法制備。
5.如權(quán)利要求4所述的碳納米管的制備方法，其特征在于粉末分層壓制法進(jìn)一步包括下列步驟用催化劑粉末分別與單一碳同位素制成幾種混合粉末；將含有第一單一碳同位素的混合粉末壓緊，形成第一碳同位素片段；將含有第二單一碳同位素的混合粉末壓緊，在第一碳同位素片段上形成第二碳同位素片段；如此反復(fù)，制成碳棒。
6.如權(quán)利要求4所述的碳納米管的制備方法，其特征在于漿料分層燒結(jié)法進(jìn)一步包括下列步驟用催化劑粉末分別與單一碳同位素制成粉末混合，配制成幾種漿料；涂/印一層含有第一單一碳同位素的漿料，烘干，形成第一碳同位素片段；在第一碳同位素片段上再涂/印一層第二單一碳同位素的漿料，烘干，形成第二單一碳同位素片段；如此反復(fù)，最后進(jìn)行燒結(jié)，制成碳棒。
7.如權(quán)利要求1所述的碳納米管的制備方法，其特征在于電弧放電的放電電流為100A。
8.如權(quán)利要求1所述的碳納米管的制備方法，其特征在于該單一同位素片段還包括催化劑粉末。
9.如權(quán)利要求8所述的碳納米管的制備方法，其特征在于該催化劑粉末包括鎳和/或三氧化二釔粉末。
10.如權(quán)利要求1所述的碳納米管的制備方法，其特征在于反應(yīng)過程中通入保護(hù)性氣體。
11.如權(quán)利要求10所述的碳納米管的制備方法，其特征在于該保護(hù)性氣體是氦氣、氬氣、氮氣或氫氣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種摻有同位素碳納米管的制備方法，包括如下步驟設(shè)置一碳棒作為陽極，該碳棒包括至少兩個具有預(yù)定厚度的不同單一同位素片段，其中，沿棒長方向不同同位素片段可任意組合；設(shè)置一與該碳棒相對應(yīng)設(shè)置的陰極；使該碳棒與該陰極發(fā)生電弧放電，使該碳棒提供的不同同位素片段按預(yù)定次序發(fā)生反應(yīng)，生成摻有不同同位素的碳納米管，沉積于該陰極上。
文檔編號D01F9/12GK1706747SQ20041002765
公開日2005年12月14日 申請日期2004年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月10日
發(fā)明者范守善, 劉亮 申請人:清華大學(xué), 鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司