可控火焰合成超长单壁碳纳米管的基础研究

利用火焰来合成碳纳米管是一个全新的研究领域，火焰法能提供碳纳米管合成所必需的三个要素：热源、碳源和催化剂。可控、低成本合成具有优越性能和结构的超长单壁碳纳米管是碳纳米管器件能够实际应用的关键。本项目提出的可控火焰是一种新型合成单壁碳纳米管的方法，由于其温度（热源）可控，克服了传统火焰法存在的缺陷，因此能实现碳纳米管的可控生长，并利于超长单壁碳纳米管的形成。同时，可控火焰方法合成超长单壁碳纳米管具有成本低、可控性好、合成时间短、设备简单、在常压下可连续制备等特点以及大规模批量制备的潜力。可控火焰中超长单壁碳纳米管的生成规律、合成机理、最佳"温度窗口"和工业放大的可能性是本项目的研究内容。

利用可控火焰合成碳纳米管是一种合成碳纳米管的新型火焰方法，具有成本低、可控性好、合成时间短等特点及大规模批量制备的潜力。可控火焰合成碳纳米管的方法除了能提供碳纳米管合成所必需的三要素（热源、碳源和催化剂）外，还提供了碳纳米管合成所必需的低温冷却过程。这种方法可以实现热源温度的相对精准的可控制调节，保证碳纳米管在最优的温度条件下的可控制合成，有利于单壁碳纳米管以及具有超长结构的碳纳米管的生成。另外，在可控火焰的高温热源区和中心反应合成区上部出口均可得到碳纳米管，增大了碳纳米管的产量。本项目研究中利用可控火焰，采用惰性气体或空气作为低温冷却气体，利用甲烷、乙烯或一氧化碳作为碳源气体，用铁基催化剂作为催化剂前驱体，得到大量形态较好、杂质较少、石墨化程度较好的碳纳米管。可控火焰中合成碳纳米管的机理过程包括高温下碳原子的激发过程、铁基纳米催化剂颗粒的形成过程、碳纳米管的成核过程以及碳纳米管的继续生长直至停止生长过程。