專利名稱：通過在擴散爐中熱處理氣相凈化碳納米管的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及碳納米管的凈化，特別涉及利用熱處理氣相凈化碳納米管的方法。
碳納米管具有直徑為幾納米、高寬比為10-1000的微小圓柱結構。碳納米管具有蜂窩狀六邊形圖形，其中每個碳原子與三個相鄰的碳原子結合。另外，根據(jù)其結構，碳納米管可以象金屬一樣作為導體或作為半導體，所以，預計這些碳納米管的應用領域是廣闊的。
近年來，已提出了各種各樣的大規(guī)模能夠合成碳納米管的方法。然而，幾乎所有現(xiàn)有技術都會隨所希望的碳納米管的生長產(chǎn)生其它含碳副產(chǎn)物。另外，根據(jù)各種各樣的處理條件，例如用于合成碳納米管的催化劑或膜材料，原生碳納米管會包括過多的雜質，包括過渡金屬顆粒、過渡金屬衍生物、非晶碳、富勒烯(fullerense)、碳納米顆粒或石墨。
具體說，用于形成多殼碳納米管的放電技術會產(chǎn)生大量作為副產(chǎn)物的碳納米顆粒。此外，盡管等離子體或熱化學汽相淀積(CVD)技術中，碳納米顆粒的量少于放電技術，但這些技術仍會在碳納米管的表面或側面上產(chǎn)生例如碳納米顆?；蚍蔷嫉雀碑a(chǎn)物，在碳納米管的端部產(chǎn)生過渡金屬顆粒等副產(chǎn)物。
為了將碳納米管應用于場發(fā)射顯示器(FEDs)、真空熒光顯示器(VFDs)或白光源，必須通過凈化去掉這些不必要的副產(chǎn)物。
可以采用數(shù)種凈化技術去除原生碳納米管上的上述雜質，例如，過濾法、色譜法、超聲清洗法、離心分離法等。然而，這些常規(guī)技術復雜且耗時。另外，可以從原生碳納米管上去除較大塊的副產(chǎn)物，而碳納米管表面或側面上的微小碳納米顆粒和過渡金屬會留下，所以，凈化效率非常低。
按日本專利申請平5-133048中介紹的另一常規(guī)技術，利用在氧化氣體氣氛中即在氧或水蒸汽中的氧化凈化碳納米管。該方法的基礎是在構成碳納米管外壁的石墨中五邊形和六邊形間分子級化學反應性的差異。然而，很難控制凈化的最佳反應溫度和時間，碳納米管隨著時間也被氧化，所以降低了成品率。
日本專利公開平8-12310介紹了一種凈化碳納米管的方法，包括混合碳納米管和附帶的碳雜質的混合物與液相的、選自氧化劑、硝化劑和磺化劑中的一種試劑，使所說混合物與液相試劑化學反應。這種凈化方法可以在低溫下進行，但液相化學反應要花很多時間--2到6小時，并需要隨后的過濾、清洗和干燥工藝。某些情況下，還必須進行在堿性溶液的中和和隨后的清洗工藝。所以，凈化工藝變得十分復雜，且處理時間增加。
本發(fā)明的一個目的是提供一種凈化碳納米管的方法，可以簡單快速地去除原生碳納米管上的各種雜質。
利用一種凈化碳納米管的方法可以實現(xiàn)本發(fā)明的目的，該方法包括在具有熱處理爐管的擴散爐中利用熱分解的酸性氣體凈化碳納米管。
優(yōu)選用鹽酸氣或硝酸氣作酸性氣體。
凈化碳納米管優(yōu)選進行10-30分鐘。
優(yōu)選地，凈化碳納米管包括與稀釋氣體一起向爐管中供應酸性氣體。稀釋氣體可以是氫氣。
優(yōu)選地，在凈化碳納米管之前，該碳納米管凈化方法還包括在向爐管供應惰性氣體的同時，升高爐管溫度的升溫步驟。優(yōu)選地，凈化了碳納米管后，該碳納米管凈化方法還包括在向爐管供應惰性氣體的同時，降低爐管溫度的降溫步驟。優(yōu)選用氬作惰性氣體。
根據(jù)本發(fā)明的簡單凈化方法，可以在短時間周期內有效地去除各種雜質，具有優(yōu)異的凈化度和高成品率。
通過結合附圖詳細介紹本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點將變得更清楚，其中

圖1是展示可應用于根據(jù)本發(fā)明凈化碳納米管的擴散爐結構的垂直剖面圖；圖2是展示本發(fā)明凈化碳納米管方法的優(yōu)選實施方案中溫度控制的時序圖；及圖3是展示本發(fā)明凈化碳納米管方法的優(yōu)選實施方案中氣體脈沖的時序圖。
下面結合示出了本發(fā)明優(yōu)選實施方案的各附圖，將更充分地介紹本發(fā)明。然而，可以按多種方式實施本發(fā)明，不應認為本發(fā)明限于這里所記載的各實施方案。而且，提供這些實施方案的目的是使本公開徹底完全，向所屬領域的技術人員充分傳達本發(fā)明的思想。
圖1示出了可用于本發(fā)明凈化碳納米管方法的擴散爐的結構。在圖1所示的擴散爐中，在石英管10中熱處理碳納米管。石英管10具有允許凈化碳納米管的氣體流入石英管10的氣體輸入部分12，和排出凈化工藝所用氣體的排氣部分14。另外，繞石英管10，安裝有控制石英管10的熱處理溫度和保持所要求的溫度的電阻加熱器24。這里，電阻加熱器24可以由電阻線圈構成。將需要凈化的原生碳納米管30裝入石英舟4中，并定位于石英管10中，如圖1所示。
圖2和3分別是展示本發(fā)明碳納米管凈化方法的優(yōu)選實施方案中溫度控制和氣體脈沖的時序圖。參見圖2和3，首先，對圖1的擴散爐進行將石英管10的溫度升高到預定熱處理溫度T的升溫步驟。在石英管10的溫度超過400℃之前，容納原生碳納米管30的石英管10移到擴散爐中。將帶有原生碳納米管30的石英管10裝入擴散爐后，以例如約200-500sccm的流量，向升溫步驟中的石英管10供應惰性氣體。
在石英管10的溫度達到預定溫度T時，停止供應惰性氣體。然后，在向石英管10供應酸性氣體和稀釋氣的同時，在該溫度下對原生碳納米管進行熱處理工藝，時間約為10-30分鐘。
酸性氣體優(yōu)選是鹽酸(HCl)氣或硝酸(HNO3)氣。在用HCl氣作酸性氣體時，HCl的熱分解產(chǎn)生的氫離子(H+)去除碳納米顆粒和碳顆粒，氯離子(Cl-)腐蝕過渡金屬。在用HNO3氣作酸性氣體時，HNO3熱分解產(chǎn)生的氫離子去除碳納米顆粒和碳顆粒，NO3離子腐蝕過渡金屬。該酸性氣體供應的流量約為30-200sccm。
優(yōu)選用氫氣作稀釋氣，例如其流量約為60-400sccm。
熱處理期間，石英管10的溫度保持在約500-1000℃之間。為了熱處理原生碳納米管，熱分解酸性氣體，并利用熱分解的酸性氣體，同時去除粘附于原生碳納米管的圓柱形石墨部分的表面、端部或側面上的各種顆粒，例如碳塊、碳納米顆粒和過渡金屬顆粒。
完成了熱處理后，停止供應酸性氣體和稀釋氣體。于是，在以約200-500sccm的流量，向石英管10供應如氬等惰性氣體的同時，進行降低石英管10的溫度的降溫步驟。在石英管10的溫度降到約400℃或更低時，從擴散爐中取出凈化的碳納米管。
在各附圖和說明書中，公開了本發(fā)明的典型優(yōu)選實施方案，盡管使用了特定術語，但這些術語只用于一般性描述，并非為了進行限制。
在按本發(fā)明的碳納米管的氣相凈化中，在擴散爐中利用熱分解的酸性氣體凈化原生碳納米管。本發(fā)明的凈化方法比常規(guī)技術簡單，同時，可以在短時間內有效地去除各種雜質，具有優(yōu)異的凈化度和高成品率。所以，本發(fā)明的碳納米管凈化方法適用于大規(guī)模凈化工藝。
盡管結合優(yōu)選實施方案具體展示和介紹了本發(fā)明，但所屬領域的技術人員應明白，在形式上和細節(jié)上可以對本發(fā)明做出各種變化，而不會脫離所附權利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權利要求
1.一種凈化碳納米管的方法，包括在具有熱處理爐管的擴散爐中，利用熱分解的酸性氣體凈化碳納米管。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其中用鹽酸氣或硝酸氣作酸性氣體。
3.根據(jù)權利要求1的方法，其中在500-1000℃的溫度下進行碳納米管的凈化。
4.根據(jù)權利要求1的方法，其中凈化碳納米管的時間為10-30分鐘。
5.根據(jù)權利要求2的方法，其中凈化碳納米管包括與稀釋氣體一起向管中供應酸性氣體。
6.根據(jù)權利要求5的方法，其中稀釋氣體是氫氣。
7.根據(jù)權利要求5的方法，其中以30-200sccm的流量供應酸性氣體。
8.根據(jù)權利要求5的方法，其中以60-400sccm的流量供應稀釋氣體。
9.根據(jù)權利要求1-8中任一項的方法，在凈化碳納米管前，還包括在向爐管供應惰性氣體的同時，升高爐管溫度的升溫步驟。
10.根據(jù)權利要求9的方法，其中惰性氣體是氬氣。
11.根據(jù)權利要求9的方法，其中以200-500sccm的流量供應惰性氣體。
12.根據(jù)權利要求9的方法，其中在升溫步驟中，在爐管的溫度為400℃或更低時，將碳納米管裝入爐管中。
13.根據(jù)權利要求1-8中任一項的方法，在凈化了碳納米管后，還包括在向爐管供應惰性氣體的同時，降低爐管溫度的降溫步驟。
14.根據(jù)權利要求13的方法，其中惰性氣體是氬氣。
15.根據(jù)權利要求13的方法，其中以200-500sccm的流量供應惰性氣體。
16.根據(jù)權利要求13的方法，其中在降溫步驟中，在爐管的溫度為400℃或更低時，從爐管中取出碳納米管。
全文摘要
利用酸性氣體的熱解氣相凈化碳納米管的方法。該碳納米管的凈化方法包括:在具有適于熱處理的爐管的擴散爐中,利用熱分解的酸性氣體凈化碳納米管。酸性氣體包括鹽酸氣或硝酸氣,并可以與例如氫等稀釋氣體一起向爐管內供應。
文檔編號B82B3/00GK1277148SQ0010921
公開日2000年12月20日 申請日期2000年6月14日 優(yōu)先權日1999年6月15日
發(fā)明者李鐵真, 柳在銀 申請人:李鐵真, 株式會社日進納米技術