催化剂对碳纳米管制备的影响
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摘要：碳纳米管的制备过程中，催化剂作为C源和能量的提供者对碳纳米管的结构和产量起着非常重要的作用。本文从催化剂的种类、催化剂在不同温度下、催化剂颗粒的大小、催化剂载体、催化剂的不同配比、基底材料等因素对碳纳米管生长的影响进行一些浅析。
关键词：碳纳米管；催化剂；生长速度；载体；基底材料
中图分类号：O59文献标识码：B文章编号：1009-9166（2011）011(C)-0160-01
引言：1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子，这就是现在被称作的“Carbon nanotubes”，即碳纳米管。经过十几年的基础和应用研究，科学家们发现了碳纳米管越来越多的独特的性质。
一、催化剂在不同温度下对碳纳米管生长的影响
温度对碳纳米管生长影响很大：生长温度越高，碳管石墨化程度越好，碳管产量比在低温下高。但过高的温度容易生成五元环的碳结构，导致有缺陷、形状各异的碳管。温度高达3000―3700℃的电弧放电法制备的MWNTs的缺陷多，并与其他副产物如无定形碳、纳米微粒等杂质烧结于一体，不利于随后的分离和提纯；催化裂解法在低温（500―700℃）下能制备质量较好的碳管，可成为碳纳米管工业化生产的重要方法。
二、催化剂颗粒的大小对碳纳米管生长的影响
CNT的生长过程中，碳源在催化剂颗粒表面裂解形成碳核，碳核通过扩散，在催化剂的后表面生长出CNT，同时推着催化剂颗粒前移，直到催化剂颗粒完全被石墨层包覆，催化剂失活，CNT停止生长。催化剂颗粒的尺寸决定着CNT的直径，催化剂颗粒尺寸与CNT的直径呈线性关系。制备单壁碳纳米管的重要条件就是催化剂颗粒的尺寸要小。实验也发现，催化剂颗粒尺寸还影响CNT的生长速度，颗粒越小碳管生长速度越快，生长速度快时，合成的碳纳米管表面干净，排列一致，在范德瓦耳斯力的作用下集聚成束。
三、催化剂载体对碳纳米管生长的影响
吕德义等在载体对CVD法制备碳纳米管的影响实验中，在催化剂Co/Al2O3和Co/SiO2上制备碳纳米管中。每100g催化剂生成的碳纳米管粗产品的量定义为产率。在反应温度范围内，在催化剂Co／Al2O3上，产率随反应温度的变化是先随温度升高而增加，650℃是最佳反应温度，其产率为457g／100g•cat。当温度大于650℃时，产率随反应温度升高而下降。在催化剂Co／SiO2上，当反应温度低于800℃时，产率基本不随反应温度变化，仅当温度大于8O0℃以后，产率才略有增加。实验结果表明，在CVD法制备碳纳米管中，载体对碳纳米管的产率有明显的影响。
四、催化剂的不同配比对碳纳米管生长的影响
朱燕娟在催化剂的配比对碳纳米管生长的影响实验中用两种方法制备了B、C系列催化剂。B系列：将纳米Co粉（平均粒径28nm）与石墨粉固相搅拌混合形成混合型催化剂系列，据Co粉所占比例不同分别为B1（纳米Co/石墨比例为1:9）B2（纳米Co/石墨比例为1.5:8.5）B3（纳米Co/石墨比例为3:7）。C系列：按具有自主知识产权的方法制得SiO2负载NiO复合粉体形成粉状负载型催化剂系列，据配比原料正硅酸乙酯与硝酸镍的物质的量比不同分为C1（n（Si）:n（Ni）为1:8）C2（n（Si）:n（Ni）为1:12）C3（n（Si）:n（Ni）为1:14）。
实验表明纳米Co粉占15%的催化剂B2上生长的碳纳米管粗产物只有少量管径不一的碳纳米管生成，其余大部分是块状团聚物。
五、基底材料对碳纳米管生长的影响
王志等在以Fe3O4纳米粒子为催化剂，分别在多空硅、Si（111）和石英片基底上制备了碳纳米管。实验中在Si（111）表面上生长碳纳米管显示了杂乱生长的碳纳米管，生长较为稀疏，在碳纳米管的顶端可以看到白色的催化剂颗粒，直径l0―100nm，样品的EDX分析表明存在Fe元素。实验中在粗糙石英片上生成了大面积无序密集的碳纳米管，直径20―100nm，样品表面的EDX未发现Fe元素的存在。对比在多孔硅上制备的阵列碳纳米管，可以认为：基底对碳纳米管的密度和取向性有着重要影响，只有在多孔硅基底上应用Fe304纳米粒子实现了碳纳米管的定向生长，而其他两种基底生长取向混乱，直径不均匀，质量较差。
结语：在碳纳米管的制备过程中，催化剂是碳纳米管合成的关键因素。催化剂的选取、催化剂在不同温度下、催化剂颗粒的大小，催化剂载体，催化剂的不同配比，基底材料等都对碳纳米管的生长速度、排列密度、管径的大小、产率等有很大的影响。
作者单位：信阳师范学院.物理电子工程学院
参考文献：
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