受控高度的碳纳米管阵列制造技术

本申请公开了包含催化剂的受控高度碳纳米管阵列和与其相关的合成方法。这样的纳米管阵列可以由浸渍在剥离的层状矿物质中以生长碳纳米管阵列的具有一定Fe∶Co∶Ni摩尔比的催化剂粒子制备，其中催化剂的Fe∶Co∶Ni摩尔比用于控制阵列的高度。

Controlled height carbon nanotube arrays

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】受控高度的碳纳米管阵列背景本申请涉及碳纳米管阵列。碳纳米管是碳的圆柱形纳米结构。圆柱形纳米结构可以具有单壁或多个共轴壁。可以通过包括化学气相沉积在内的多种方法制备碳纳米管，其在富碳气物流中使用沉积在基底如硅晶片或玻璃上的金属催化剂进行。典型地，因为催化剂的密度低，碳纳米管沿着基底的表面生长。已经报道了用于碳纳米管的合成的催化组合物。参见US2014/0054513。然而，纳米管的长度和碳纳米管的对齐可能在整个基底上的差别很大。因此，需要一种用于形成大量长的、均匀高度的、并且高度对齐的碳纳米管阵列的方法。公开内容概述本公开的优点是用于制备碳纳米管阵列(包括在负载的催化剂上制备这样的阵列)的工艺，其可以形成长度大于约5微米并且直径小于约100纳米的碳纳米管。通过用于生长碳纳米管阵列的方法至少部分地满足了这些和其他优点。所述方法包括：将剥离的层状矿物质浸渍在金属离子水溶液以制备浸渍的层状矿物质。溶液可以包含铁盐、钴盐和镍盐；并且可以煅烧浸渍的层状矿物质以制备可以用于生长碳纳米管阵列的负载的催化剂。有利地，这样的碳纳米管阵列可以是长的、均匀高度的并且碳纳米管是高度对齐的。本公开的实施方案包括其中在金属离子水溶液中的铁与钴的摩尔比为约200∶1至约1∶5，在金属离子水溶液中的铁与镍的摩尔比为约200∶1至约1∶5，并且在金属离子水溶液中的钴与镍的摩尔比为约10∶1至约1∶10。在一些实施方案中，铁盐、钴盐和/或镍盐可以包括下列各项中的至少一种：硝酸盐、氯化物、溴化物、氟化物、硫酸盐或它们的任意组合。例如，其他实施方案包括其中金属离子水溶液还包含Mo、W、Al、Mg中的一种或多种的盐和它们的组合，如其中金属离子水溶液还包含(i)Mo或W的盐或它们的组合和(ii)Al或Mg的盐或它们的组合。在一些实施方案中，Mo、W、Al和/或Mg盐选自Mo、W、Al、Mg的硝酸盐、氯化物盐、溴化物盐、氟化物盐、硫酸盐或它们的任意组合。在实施本方法的某些方面的过程中，所述方法还可以包括将层状矿物质氧化以制备剥离的层状矿物质，和/或将纳米管阵列与负载的催化剂分离。在一些实施方案中，将制备的纳米管阵列分离可以通过用酸如HCl和/或HF洗涤以将其从负载的催化剂中移除而实现，包括将其与小片状体和催化剂粒子分离。根据以下详细描述，本专利技术的额外优点对于本领域技术人员来说将会变得显而易见，其中仅通过说明预期执行本专利技术的最佳模式的方式，仅示出和描述了本专利技术的优选的实施方案。如将会意识到的，本专利技术能够做出其他和不同的实施方案，并且其若干细节能够在多个明显的方面做出改进，它们都不脱离本专利技术。因此，附图和说明书被认为本质上是说明性的，而不是限制性的。附图简述包括以下附图以示出实施方案的某些方面，并且附图不应被视为排他的实施方案。对于受益于本公开的本领域技术人员来说，将会想到所公开的主题能够做出大量形式和功能上的改进、改变、组合和等价物。图1是本公开的至少一个实施方案的说明性图解。图2是根据本公开的多个实施方案使用负载的催化剂118制备的碳纳米管阵列的扫描电子显微照片。图3是根据本公开的多个实施方案使用负载的催化剂118制备的碳纳米管阵列的扫描电子显微照片。图4是根据本公开的多个实施方案使用负载的催化剂118制备的碳纳米管阵列的扫描电子显微照片。图5是根据本公开的多个实施方案使用负载的催化剂118制备的碳纳米管阵列的扫描电子显微照片。图6是根据本公开的多个实施方案使用负载的催化剂118制备的碳纳米管阵列的扫描电子显微照片。图7是根据本公开的多个实施方案使用负载的催化剂118制备的碳纳米管阵列的扫描电子显微照片。图8是示出来自实施例12的平均直径为8nm的所得碳纳米管的直径分布分析的图表。图9是示出由在NCM粒子上的CNT涂层形成的导电网络的扫描电子显微照片。图10是在不同倍率下的放电容量保持率的图表。详细描述本申请涉及包含催化剂的受控高度碳纳米管阵列和与其相关的合成方法。更具体地，本公开的实施方案使用浸渍在剥离的层状矿物质中的Fe：Co：Ni的催化剂粒子以生长碳纳米管阵列。催化剂的Fe：Co：Ni摩尔比可以用于控制阵列的高度(即，长度)。通过金属离子水溶液向催化剂中加入Mo和/或W的离子和Al和/或Mg的离子或它们的组合可以有利于碳纳米管阵列的生长、长度和收率。图1是本公开的至少一个实施方案的说明性图解。制备负载的碳纳米管阵列126的方法100可以从将层状矿物质102剥离104以制备剥离的层状矿物质106开始。如在本文中所使用的，术语“层状矿物质”是指具有层状小片状体108的微结构的矿物质。示例性层状矿物质102可以包括，但不限于，蛭石、水滑石、氧化铝、蒙脱石、高岭石、云母等，和它们的任意组合。如在本文中所使用的，相对于层状矿物质来说的术语“剥离物”和相关术语是指可以例如通过氧化或水合实现的小片状体108之间的间隔的膨胀。在一些实施方案中，当剥离的层状矿物质106可以从其他来源购买或得到时，方法可以以剥离的层状矿物质106开始。可以通过将剥离的层状矿物质106浸泡110在金属离子水溶液中以制备金属离子浸渍的层状矿物质112来实现用金属离子114浸渍剥离的层状矿物质106。金属离子水溶液可以包括铁、镍和钴的金属盐，其中可以调节各自的相对摩尔比。示例性的金属盐可以包括，但不限于，硝酸铁(II)、硝酸铁(III)、氯化铁(II)、氯化铁(III)、溴化铁(II)、溴化铁(III)、氟化铁(II)、氟化铁(III)、硫酸铁(II)、硫酸铁(III)、硝酸钴(II)、氯化钴(II)、溴化钴(II)、氟化钴(II)、硫酸钴(II)、硫酸钴(II)、硝酸镍(II)、氯化镍(II)、溴化镍(II)、氟化镍(II)、硫酸镍(II)、硫酸镍(II)等，和它们的任意组合。尽管优选的是Fe：Co：Ni的摩尔比使得铁为最高摩尔浓度(例如，比Co或Ni大至多200倍)，在一些实例中，Co和/或Ni可以比Fe摩尔浓度大至多5倍。因此，Fe：Co或Fe：Ni的摩尔比可以独立地在约200∶1至约1∶5的范围内。Co与Ni的摩尔浓度可以优选是更相似的并且具有在约10：1至1：10的范围内的摩尔比。在实施本专利技术的方法的某些方面的过程中，在金属离子水溶液中的铁的浓度在27％至94％的范围内，并且钴和/或镍的浓度在2％至73％的范围内。另外，可以在金属离子水溶液中包含其他金属离子，包括Mo或W的盐以及Al或Mg的盐或它们的组合。Mo、W、Mg和/或Al的盐的加入看起来大大地有利于碳纳米管阵列的生长、长度和收率。使用这样的盐可以有利于高度(即，长度)大于10微米的碳纳米管阵列的生长，可以制备大于约20微米、30微米、40微米和50微米的高度的碳纳米管阵列。另外，本公开的催化剂体系可以有利地形成小直径的碳纳米管，例如纳米管阵列可以具有直径小于约50nm、30nm和小于约20nm如直径在0.5nm至约30nm之间和约0.5nm至约20nm之间的碳纳米管。...

【技术保护点】
1.一种用于生长碳纳米管阵列的方法，所述方法包括：/n将剥离的层状矿物质浸泡在包含铁盐、钴盐和镍盐的金属离子水溶液中以制备浸渍的层状矿物质；/n煅烧所述浸渍的层状矿物质以制备负载的催化剂；和/n在所述负载的催化剂上生长碳纳米管阵列。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170731 US 62/539,0551.一种用于生长碳纳米管阵列的方法，所述方法包括：
将剥离的层状矿物质浸泡在包含铁盐、钴盐和镍盐的金属离子水溶液中以制备浸渍的层状矿物质；
煅烧所述浸渍的层状矿物质以制备负载的催化剂；和
在所述负载的催化剂上生长碳纳米管阵列。


2.权利要求1所述的方法，其中在所述金属离子水溶液中的铁与钴的摩尔比为约200∶1至约1∶5，在所述金属离子水溶液中的铁与镍的摩尔比为约200∶1至约1∶5，并且在所述金属离子水溶液中的钴与镍的摩尔比为约10∶1至约1∶10。


3.权利要求1-2所述的方法，其中所述金属离子水溶液还包含Mo、W、Al、Mg中的一种或多种的盐和它们的组合。


4.权利要求1-2所述的方法，其中所述金属离子水溶液还包含：(i)Mo或W的盐或它们的组合和(ii)Al或Mg的盐或它们的组合。


5.权利要求1-2所述的方法，其中所述铁盐包括选自由下列各项组成的组中的至少一个：硝酸铁(II)、硝酸铁(III)...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛鸥，赵安琪，魏兆杰，张美杰，郑涛，
申请(专利权)人：江苏天奈科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32