NaLi基催化劑化學氣相沉積碳納米管陣列的研究

張永恒

摘 要：該研究采用Na/Li基催化劑，乙炔為碳源，在600，650 ℃化學氣相沉積碳納米管陣列。結果表明Na：Li的比例，前軀體的種類和沉積溫度對碳納米管陣列的形貌和取向有較大影響。

關鍵詞：Na/Li 催化劑 碳納米管陣列 化學氣相沉積

中圖分類號：TB383 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（c）-0019-01

碳納米管和碳納米管陣列具有優異的電，機械，化學等性能。它們在場發射，電磁屏蔽，電化學等領域具有很大的應用潛力。碳納米管的制備方法主要是采用金屬催化劑如鐵，鈷，鎳等和各種碳源如乙炔，苯。然而，金屬催化劑的使用使反應產物的提純變得復雜。該研究采用堿金屬化合物做為催化劑，乙炔為碳源制備碳納米管陣列。此陣列的優點是與基體有較好的結合力，陣列中的碳納米管直徑較大。

1 實驗部分

原料是分析純的Na2CO3，LiCl和Li2CO3。催化劑的制備是按Na：Li的原子比為5∶1和1∶1分別稱取一定質量的Na2CO3/LiCl和Na2CO3/Li2CO3，放進研缽研磨成細小的顆粒，加入適量蒸餾水調成糊狀，備用。將制備好的膏狀催化劑盡量涂均勻涂在硅片上。用鑷子將涂好的硅片依次放入玻璃管中，記準各個硅片的相對位置。把裝有硅片的玻璃管放入管式爐中。將管式爐加熱到650 ℃后，通氬氣30 min，氣流速度為300 mL/min。然后將爐溫調到600 ℃，650 ℃關掉氬氣并以200 mL/min通入乙炔，1 h后關掉乙炔，通入氬氣以防降溫時樣品被氧化。當爐溫降至50 ℃以下將樣品取出放入試樣袋。沉積產物用掃描電子顯微鏡（日本電子公司JSM-6700F）觀察形貌。

2 結果與討論

使用Na2CO3/LiCl 混合催化劑，Na：Li為1∶1，5∶1時，600和650 ℃沉積的產物形貌如圖1所示。從圖1a中可以看出當催化劑成份為Na：Li=1：1時，600 ℃時沉積的產物主要為不規則的碳顆粒，這些碳顆粒相互粘結，有很少的纖維生成。圖1b顯示650 ℃時沉積產物主要為直徑約為100 nm取向較好的碳納米管，碳納米管具有頂端封口結構。碳納米管的直徑較均勻。圖1c顯示當催化劑成份為Na：Li=5∶1，600 ℃沉積產物為50 nm左右的碳納米管陣列，但長度較短，碳納米管陣列取向較好。圖1d顯示650 ℃沉積的是直徑約為80 nm的碳納米管陣列，長度較長。研究還發現這些碳納米管在根部有很大程度的纏繞。這說明碳納米管雖然緊密纏繞但仍然保持了獨立的生長過程。

使用Na2CO3/Li2CO3催化劑，Na∶Li為1∶1，5∶1時，600和650℃沉積的產物形貌如圖2所示。從圖2a中可以看出當催化劑成份為Na∶Li=1∶1時，反應溫度為600 ℃時的沉積產物為直徑約300 nm的短纖維。雖然從掃描電鏡觀察不到是管狀結構，但從前期研究結果預測是碳納米管，并且頂端是封口的。圖2b顯示當反應溫度為650 ℃，催化劑成份為Na∶Li=1∶1時，沉積的碳納米管直徑均勻約為200 nm，取向非常好。照片清楚的顯示碳納米管的開口結構。圖2c顯示當催化劑成分為Na∶Li=5∶1，反應溫度為600 ℃時的沉積產物是直徑約為100 nm的碳納米管并且頂端是開口的。這些碳納米管直徑較均勻并且取向較好。同時，圖中可以看出覆蓋在碳納米管上的催化劑。很顯然，這些催化劑是吸潮后流動到碳納米管頂部的。圖2d顯示當反應溫度為650 ℃時，沉積的碳納米管直徑約200 nm，有的開口，有的是閉口，有的是尖端結構。碳納米管取向不是很理想。通過對碳納米管根部觀察，碳納米管在根部相互連接形成一層碳膜結構。前期研究表明是這些碳膜把碳納米管連接成一個整體。

3 結語

該研究采用了創新性的堿金屬化合物催化劑，化學氣相沉積碳管陣列。研究結果表明Na/Li復合催化劑的比例及其前軀體種類和反應溫度都對產物的形貌有較大影響。反應溫度的提高有助于碳納米管的生長和取向。Na2CO3/LiCl催化劑制備的碳納米管直徑較細，約50～100nm，但取向一般和頂端閉口結構。Na2CO3/Li2CO3催化劑制備的碳納米管直徑較大約150～200nm，但取向較好和頂端開孔的結構。

致謝：作者感謝國家自然科學基金對此研究的資助（項目號：51172114， 51372126）。

參考文獻

[1] 魏飛，張強，騫偉中，等.碳納米管陣列研究進展[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.金屬基底上定向碳納米管陣列的生長及其場發射性質[J].真空科學與技術學報，2005，25（4）：249-251.endprint

摘 要：該研究采用Na/Li基催化劑，乙炔為碳源，在600，650 ℃化學氣相沉積碳納米管陣列。結果表明Na：Li的比例，前軀體的種類和沉積溫度對碳納米管陣列的形貌和取向有較大影響。

關鍵詞：Na/Li 催化劑 碳納米管陣列 化學氣相沉積

中圖分類號：TB383 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（c）-0019-01

碳納米管和碳納米管陣列具有優異的電，機械，化學等性能。它們在場發射，電磁屏蔽，電化學等領域具有很大的應用潛力。碳納米管的制備方法主要是采用金屬催化劑如鐵，鈷，鎳等和各種碳源如乙炔，苯。然而，金屬催化劑的使用使反應產物的提純變得復雜。該研究采用堿金屬化合物做為催化劑，乙炔為碳源制備碳納米管陣列。此陣列的優點是與基體有較好的結合力，陣列中的碳納米管直徑較大。

1 實驗部分

原料是分析純的Na2CO3，LiCl和Li2CO3。催化劑的制備是按Na：Li的原子比為5∶1和1∶1分別稱取一定質量的Na2CO3/LiCl和Na2CO3/Li2CO3，放進研缽研磨成細小的顆粒，加入適量蒸餾水調成糊狀，備用。將制備好的膏狀催化劑盡量涂均勻涂在硅片上。用鑷子將涂好的硅片依次放入玻璃管中，記準各個硅片的相對位置。把裝有硅片的玻璃管放入管式爐中。將管式爐加熱到650 ℃后，通氬氣30 min，氣流速度為300 mL/min。然后將爐溫調到600 ℃，650 ℃關掉氬氣并以200 mL/min通入乙炔，1 h后關掉乙炔，通入氬氣以防降溫時樣品被氧化。當爐溫降至50 ℃以下將樣品取出放入試樣袋。沉積產物用掃描電子顯微鏡（日本電子公司JSM-6700F）觀察形貌。

2 結果與討論

使用Na2CO3/LiCl 混合催化劑，Na：Li為1∶1，5∶1時，600和650 ℃沉積的產物形貌如圖1所示。從圖1a中可以看出當催化劑成份為Na：Li=1：1時，600 ℃時沉積的產物主要為不規則的碳顆粒，這些碳顆粒相互粘結，有很少的纖維生成。圖1b顯示650 ℃時沉積產物主要為直徑約為100 nm取向較好的碳納米管，碳納米管具有頂端封口結構。碳納米管的直徑較均勻。圖1c顯示當催化劑成份為Na：Li=5∶1，600 ℃沉積產物為50 nm左右的碳納米管陣列，但長度較短，碳納米管陣列取向較好。圖1d顯示650 ℃沉積的是直徑約為80 nm的碳納米管陣列，長度較長。研究還發現這些碳納米管在根部有很大程度的纏繞。這說明碳納米管雖然緊密纏繞但仍然保持了獨立的生長過程。

使用Na2CO3/Li2CO3催化劑，Na∶Li為1∶1，5∶1時，600和650℃沉積的產物形貌如圖2所示。從圖2a中可以看出當催化劑成份為Na∶Li=1∶1時，反應溫度為600 ℃時的沉積產物為直徑約300 nm的短纖維。雖然從掃描電鏡觀察不到是管狀結構，但從前期研究結果預測是碳納米管，并且頂端是封口的。圖2b顯示當反應溫度為650 ℃，催化劑成份為Na∶Li=1∶1時，沉積的碳納米管直徑均勻約為200 nm，取向非常好。照片清楚的顯示碳納米管的開口結構。圖2c顯示當催化劑成分為Na∶Li=5∶1，反應溫度為600 ℃時的沉積產物是直徑約為100 nm的碳納米管并且頂端是開口的。這些碳納米管直徑較均勻并且取向較好。同時，圖中可以看出覆蓋在碳納米管上的催化劑。很顯然，這些催化劑是吸潮后流動到碳納米管頂部的。圖2d顯示當反應溫度為650 ℃時，沉積的碳納米管直徑約200 nm，有的開口，有的是閉口，有的是尖端結構。碳納米管取向不是很理想。通過對碳納米管根部觀察，碳納米管在根部相互連接形成一層碳膜結構。前期研究表明是這些碳膜把碳納米管連接成一個整體。

3 結語

該研究采用了創新性的堿金屬化合物催化劑，化學氣相沉積碳管陣列。研究結果表明Na/Li復合催化劑的比例及其前軀體種類和反應溫度都對產物的形貌有較大影響。反應溫度的提高有助于碳納米管的生長和取向。Na2CO3/LiCl催化劑制備的碳納米管直徑較細，約50～100nm，但取向一般和頂端閉口結構。Na2CO3/Li2CO3催化劑制備的碳納米管直徑較大約150～200nm，但取向較好和頂端開孔的結構。

致謝：作者感謝國家自然科學基金對此研究的資助（項目號：51172114， 51372126）。

參考文獻

[1] 魏飛，張強，騫偉中，等.碳納米管陣列研究進展[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.金屬基底上定向碳納米管陣列的生長及其場發射性質[J].真空科學與技術學報，2005，25（4）：249-251.endprint

摘 要：該研究采用Na/Li基催化劑，乙炔為碳源，在600，650 ℃化學氣相沉積碳納米管陣列。結果表明Na：Li的比例，前軀體的種類和沉積溫度對碳納米管陣列的形貌和取向有較大影響。

關鍵詞：Na/Li 催化劑 碳納米管陣列 化學氣相沉積

中圖分類號：TB383 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（c）-0019-01

碳納米管和碳納米管陣列具有優異的電，機械，化學等性能。它們在場發射，電磁屏蔽，電化學等領域具有很大的應用潛力。碳納米管的制備方法主要是采用金屬催化劑如鐵，鈷，鎳等和各種碳源如乙炔，苯。然而，金屬催化劑的使用使反應產物的提純變得復雜。該研究采用堿金屬化合物做為催化劑，乙炔為碳源制備碳納米管陣列。此陣列的優點是與基體有較好的結合力，陣列中的碳納米管直徑較大。

1 實驗部分

原料是分析純的Na2CO3，LiCl和Li2CO3。催化劑的制備是按Na：Li的原子比為5∶1和1∶1分別稱取一定質量的Na2CO3/LiCl和Na2CO3/Li2CO3，放進研缽研磨成細小的顆粒，加入適量蒸餾水調成糊狀，備用。將制備好的膏狀催化劑盡量涂均勻涂在硅片上。用鑷子將涂好的硅片依次放入玻璃管中，記準各個硅片的相對位置。把裝有硅片的玻璃管放入管式爐中。將管式爐加熱到650 ℃后，通氬氣30 min，氣流速度為300 mL/min。然后將爐溫調到600 ℃，650 ℃關掉氬氣并以200 mL/min通入乙炔，1 h后關掉乙炔，通入氬氣以防降溫時樣品被氧化。當爐溫降至50 ℃以下將樣品取出放入試樣袋。沉積產物用掃描電子顯微鏡（日本電子公司JSM-6700F）觀察形貌。

2 結果與討論

使用Na2CO3/LiCl 混合催化劑，Na：Li為1∶1，5∶1時，600和650 ℃沉積的產物形貌如圖1所示。從圖1a中可以看出當催化劑成份為Na：Li=1：1時，600 ℃時沉積的產物主要為不規則的碳顆粒，這些碳顆粒相互粘結，有很少的纖維生成。圖1b顯示650 ℃時沉積產物主要為直徑約為100 nm取向較好的碳納米管，碳納米管具有頂端封口結構。碳納米管的直徑較均勻。圖1c顯示當催化劑成份為Na：Li=5∶1，600 ℃沉積產物為50 nm左右的碳納米管陣列，但長度較短，碳納米管陣列取向較好。圖1d顯示650 ℃沉積的是直徑約為80 nm的碳納米管陣列，長度較長。研究還發現這些碳納米管在根部有很大程度的纏繞。這說明碳納米管雖然緊密纏繞但仍然保持了獨立的生長過程。

使用Na2CO3/Li2CO3催化劑，Na∶Li為1∶1，5∶1時，600和650℃沉積的產物形貌如圖2所示。從圖2a中可以看出當催化劑成份為Na∶Li=1∶1時，反應溫度為600 ℃時的沉積產物為直徑約300 nm的短纖維。雖然從掃描電鏡觀察不到是管狀結構，但從前期研究結果預測是碳納米管，并且頂端是封口的。圖2b顯示當反應溫度為650 ℃，催化劑成份為Na∶Li=1∶1時，沉積的碳納米管直徑均勻約為200 nm，取向非常好。照片清楚的顯示碳納米管的開口結構。圖2c顯示當催化劑成分為Na∶Li=5∶1，反應溫度為600 ℃時的沉積產物是直徑約為100 nm的碳納米管并且頂端是開口的。這些碳納米管直徑較均勻并且取向較好。同時，圖中可以看出覆蓋在碳納米管上的催化劑。很顯然，這些催化劑是吸潮后流動到碳納米管頂部的。圖2d顯示當反應溫度為650 ℃時，沉積的碳納米管直徑約200 nm，有的開口，有的是閉口，有的是尖端結構。碳納米管取向不是很理想。通過對碳納米管根部觀察，碳納米管在根部相互連接形成一層碳膜結構。前期研究表明是這些碳膜把碳納米管連接成一個整體。

3 結語

該研究采用了創新性的堿金屬化合物催化劑，化學氣相沉積碳管陣列。研究結果表明Na/Li復合催化劑的比例及其前軀體種類和反應溫度都對產物的形貌有較大影響。反應溫度的提高有助于碳納米管的生長和取向。Na2CO3/LiCl催化劑制備的碳納米管直徑較細，約50～100nm，但取向一般和頂端閉口結構。Na2CO3/Li2CO3催化劑制備的碳納米管直徑較大約150～200nm，但取向較好和頂端開孔的結構。

致謝：作者感謝國家自然科學基金對此研究的資助（項目號：51172114， 51372126）。

參考文獻

[1] 魏飛，張強，騫偉中，等.碳納米管陣列研究進展[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.金屬基底上定向碳納米管陣列的生長及其場發射性質[J].真空科學與技術學報，2005，25（4）：249-251.endprint