可用于纳滤膜制备的垂直排列单壁碳纳米管阵列的合成机理研究

本项目以基于垂直排列碳纳米管阵列的纳滤膜为研究对象，提出通过水分辅助化学气相沉积这一新型制备方法，生长出适合纳滤膜制备的垂直排列单壁碳纳米管阵列（大面积、排列均匀、高纯度、碳管直径分布范围窄）。首先，通过建立可原位监测碳纳米管阵列生长的远心光学系统，研究生长温度、水分含量、碳源气体流量、水分与碳源气体相对含量、总气体流量等因素对单壁碳纳米管生长速率、催化剂活性和寿命的影响规律；研究生长温度、生长气氛等因素对碳纳米管阵列纯度、均匀性、结晶性的影响，在3厘米×3厘米尺寸的基片上制备出纯度>99%、排列均匀的单壁碳纳米管阵列；并通过催化剂薄膜厚度调控、及生长温度和生长气氛的控制，生长出直径分布范围窄，平均直径≤2nm的单壁碳纳米管阵列。通过本项目的研究，不仅可以解决单壁碳纳米管纳滤膜制备中的关键问题，而且可以为单壁碳纳米管的大规模高效率制备奠定理论和实验基础。

用于垂直碳纳米管复合纳滤膜制备的单壁碳纳米管阵列为研究对象，系统研究了影响碳纳米管产额、结晶性、生长速率、及催化剂寿命等的主要因素，实现了碳纳米管阵列的可控生长。在此基础上，对碳纳米管/聚对二甲苯复合滤膜的制备工艺、及不同气体通过纳滤膜的输运行为进行了深入研究。项目如期完成了申请书的研究内容，并取得如下成果：.1. 通过生长动力学研究，阐明了温度、总气体流量、升温阶段H2比例、水分浓度等对碳纳米管生长的影响规律，实现了高纯度、高质量单壁碳纳米管阵列的可控与大面积生长。.2. 通过控制生长条件，获得了适合纳滤膜制备的碳纳米管阵列；采用气相沉积方法，将聚对二甲苯填充到碳纳米管间隙，并通过等离子体刻蚀暴露出碳纳米管，制备了自支撑的垂直碳纳米管聚合物复合滤膜。.3. 测试结果表明，N2、H2、Ar、He、CO2等五种气体的渗透速率均比克努森模型理论预测值高1-2个数量级；但各种气体相对于He气的选择系数，仍然与克努森模型吻合。