探究低碳納米材料的制備方法

安徽大學電子信息工程學院　宋鈺姿

探究低碳納米材料的制備方法

安徽大學電子信息工程學院宋鈺姿

現代科學發展的進程中，碳納米材料以導電性能優異的特點被廣泛應用于電子領域，因此，掌握碳納米材料的制備方法便具有良好的現實意義。本文首先對碳納米材料作了相應的簡介說明，然后對碳納米材料的制備方法從石墨電弧法、化學氣相沉積法、激光蒸發法和其他方法等方面進行探究，從而提升電子器件領域的材料特性。

碳納米管；石墨烯；碳納米材料；制備方法；分析探究

1.引言

當前，不管是人們的日常生活還是企業的工業生產都離不開材料的運用，而碳納米材料在材料的應用中較為廣泛，逐步引領現代科學的先進潮流。如2010年諾貝爾物理學獎表彰的就是制備出石墨烯的兩位科學家，石墨烯就是一種典型的結構穩定的低碳納米材料，其突出的導電性能與電子遷移速度使得它在光電顯示、半導體、觸摸屏等領域中的應用有著非常好的發展前景。那么，碳納米材料的制備方法也越來越地得到人們的重視，掌握有效的碳納米材料的制備方法對于提高電子產品的性能以及控制生產成本是極其重要的。

2.碳納米材料簡介

納米材料通常是指晶粒結構屬于納米級別，范圍介于1-100nm的材料，由于納米材料的特殊結構特性，使得納米材料相對于固體材料而言，它的光、熱、電方面的性能有一定的優勢，超微粒子材料（顆粒尺寸在0.1-100nm的微粒）便是其中一種特殊的納米材料。

基于納米材料的特殊物理、化學特性，現代社會中將納米材料應用到電子器件或其它儀器設備的規模也越來越大，其中，新型碳材料的發展運用更是極大地提高了性能。碳納米材料（包括碳納米管、碳納米纖維、納米碳球等三種類型）作為新型碳材料中的代表，在硬度、導電性、耐熱性、光學特性硬度等方面中均展現出了其優勢，這是因為碳元素具有SP、SP2、SP3雜化的多樣電子軌道特性，使得碳素材料與納米材料結合而成的新型材料性能大大提升，當前來看，碳納米材料尤其在電子器件領域有著廣闊的發展前景。

圖1　石墨電弧法工藝裝置

3.低碳納米材料的制備方法

3.1石墨電弧法

碳納米管（也稱作巴基管）是碳納米材料中的典型類型，最初制備巴基管采用的方法便是石墨電弧法。石墨（graphite）在制備工業中常作為鋰離子電池的陽極材料，或者是作為電化學催化劑的良好載體，而石墨電弧法是用石墨電極在合理的空間范圍內放電，石墨電極間會產生直流電弧，然后從所得陰極沉積物中將碳納米材料進行收集的方法。如圖1所示，是石墨電弧法的工藝裝置。在經過改良的石墨電弧法中，我們可以以石墨為電極材料，制備環境在真空室中，事先將金屬釔、鎳粉末（按Y：1%，Ni：4.2%的比例）與石墨粉末均勻混合，然后將混合而成的粉末加入鉆好孔的陽極中，由于整個過程處于惰性氣體的空間環境，石墨電極中的陽、陰兩極會因惰性氣體與金屬釔、鎳的催化反應而產生電弧，最終我們可以在石墨電極的陰極中收集到一定量的碳納米材料。

3.2化學氣相沉積法

在無機材料的制備中，化學氣相沉積法（又稱為催化裂解法）是近幾十年來發展而起的新技術，這種新技術在高度提純材料方面有著良好的發展前景。基種法是屬于化學氣相沉積法中的一種，具體的制備過程為：首先準備合適的基體，使催化劑（常見的有鐵、鈷和鎳）均勻分布在基體表面，還原催化載體可選用H2，碳源則由有機氣體（如乙炔、乙烯）和N2相混合后催化裂解而成，此法利用在電阻爐空間范圍里碳源與催化劑發生的化學反應，使得裂解出的C原子附著在基體表面，最后再將所得碳納米材料收集起來。如圖2所示，是用基種法制備納米管的實驗數據；從圖中我們可以看出，對于裂解溫度（/K）、碳納米材料產量（/g）、碳的轉化效率（%）以及裂解時間（/min）需要控制得當，才能將丙烯流量（ml/ min）、生長速率（g/h）相對應提高；當裂解溫度保持在983K，丙烯流量控制在200ml/min時，隨著碳納米管產量的提高，其生長速率也相應地上升。所以，在用化學氣相沉積法制備碳納米材料的過程中，根據制備要求選擇好合適的溫度、流量對于提高材料制備的轉化效率都是有很大的幫助的。

圖2　基種法制備納米管的實驗數據

3.3激光蒸發法

對于不同結構的碳納米材料有著不同的制備手段，而單壁碳納米管的制備一般采用的方法就是激光蒸發法，它是保證單壁碳納米管得以成批制造的重要制備手段。激光蒸發法，顧名思義可以知道采取的激發手段是以激光的形式，一般是指（CO2激光或Nd/YAG激光）在真空電阻爐內（溫度為1200攝氏度），充以流動的氬氣，再用激光束蒸發石墨靶，其中，石墨靶（含金屬催化劑）中摻雜1.2%的顆粒直徑約1um的Ni：CO=1：1的金屬混合粉末，在激光束蒸發的石墨靶的過程中，石墨發生氣化現象，最后在銅柱中收集得到沉著的碳納米材料。但是，激光蒸發法制備碳納米材料的成本相對較高，而且制備出來的單壁碳納米管的純度不高。

3.4其他合成方法

當然，除了前面所介紹的石墨電弧法、化學氣相沉積法以及激光蒸發法外，還存在幾種相對小眾、難以批量制備碳納米材料的方法，例如火焰法、離子束輻射法、電解法、原位合成法、模板法等；其

中，原位合成法是在碳、氫氣體和金屬/碳流的自由空間中合成碳納米材料的一種方法，是對碳納米材料如富勒烯、碳納米管和石墨烯的制備方法探究中有重要價值的一種手段，而富勒烯、碳納米管和石墨烯這三種材料分別具有堿金屬富勒烯超導性、高電導率、極快的電子遷移的速度的特性，是電子器件制成的絕佳選擇材料。

4.結束語

綜上所述，碳納米材料作為一種用途廣泛的新型材料，其發展前景是難以估量的。當前來看，碳納米材料的制備工藝有著一定的復雜性，因技術的局限、成本高昂等因素影響，石墨電弧法、化學氣相沉積法和激光蒸發法是最為常用的制備手段，而每種制備工藝又決定著碳納米材料對應的純度、轉換率等。因此，科學人員在制備碳納米材料時應當結合成本、實際條件、所需純度等方面著手出發，選擇合適的制備方法，才能充分發揮材料的優質性能并服務于電子器件生產領域。

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