專利名稱：雙壁碳納米管電燈泡及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種雙壁碳納米管電燈泡及其制備方法，屬于電致發(fā)光和納米材料應用技術 領域。
技術背景目前，全球正面臨著能源危機，各國在能源上的競爭愈演愈烈。最近幾年，由于電力緊 張，我國許多城市和地區(qū)在用電高峰期都出現(xiàn)過拉閘限電現(xiàn)象。因此，提高電光源的發(fā)光效 率以節(jié)約能源就成為電光源研究的重要任務。自愛迪生發(fā)明白熾燈以來，在照明用的白熾燈 燈絲材料上沒有太大的改進，依然沿用鎢絲作為燈絲材料，靠黑體輻射發(fā)光。為了提高白熾 燈的發(fā)光效率，就需要提高燈絲的溫度，使得光譜發(fā)生藍移，但與此同時白熾燈的發(fā)熱需要 消耗更多的電能，并且由于鎢絲的熔點有限，白熾燈的發(fā)光效率已快到了盡頭。歐盟、澳大 利亞和美國分別將于2009年、2010年和2020年以前淘汰白熾燈。研究和開發(fā)新型電光源的工作一直在全球范圍內(nèi)進行著。人類至今已經(jīng)開發(fā)出了應用于 不同場合的電光源，如主要用于工地和廣場照明的碘鎢燈，用于日常照明的日光燈，用于道 路照明的鈉燈。這些電光源雖然具有比白熾燈高的發(fā)光效率，但是人類的眼睛卻不適應它們 發(fā)出的光譜。最近科學家們利用半導體電致發(fā)光制成了二極管燈。由于二極管燈的光效率很 高，為節(jié)約能源和改善環(huán)境污染帶來福音。但是，二極管燈的發(fā)光半導體材料主要是通過分 子束外延生長方式合成的，尚存在制作工藝要求高、生長速度慢、成本高等問題，因此二極 管燈的應用和推廣尚需時日。日本電鏡學家Iijima S等人(Iijima S， et al.， Nature 1991, 354: 56-58)在電鏡下發(fā)現(xiàn)了碳納 米管。2004年，Wei JQ等人(Wei JQ, et al., Appl. Phys. Lett. 2004, 84: 4869-4871)在美國雜志 《AppliedPhysics Letters》刊載了關于碳納米管作為燈絲的初步研究結(jié)果，提出了碳納米管電 燈泡概念?！禢ature》編輯部說，這是愛迪生鎢絲燈泡的一種"回歸"?！禨cience》編輯部 則預計這可能成為"第一個碳納米管技術得到應用的清楚可見的實例"。BacMo SM等人(Bachilo SM, et al.， Science 2002， 298: 2361-2366)發(fā)現(xiàn)碳納米管具有光 致發(fā)光特性；BonardJM等人(Bonard JM, et al., Phys. Rev. Lett. 1998, 81: 1441-1444)發(fā)現(xiàn)碳 納米管具有電致發(fā)光特性；KimJY等人(Kim JY, et al., Opt. Mater. 2003, 21: 147-151)發(fā)現(xiàn) 碳納米管載流能力高達109 A/cm2，比導電良好的銅高出1000倍,且在很高的載流密度下依然保持較高的熱穩(wěn)定性。碳納米管柔性好，彈性模量很高，密度低，可以方便的進行宏觀操作。 Cheng HM等人(Cheng HM, et al., J. Appl. Phys. 2005, 98: 044306)證明單壁碳納米管的發(fā)光 不屬于黑體熱輻射特性；Bonard等人(Bonard JM， et al.， Phys. Rev. Lett. 1998, 81: 1441)報道 多壁碳納米管的發(fā)光不是由于黑體輻射或者由電流引起的熱發(fā)光；Wei JQ等人(Wei JQ,etal.， Appl. Phys. Lett. 2004, 84: 4869-4871)證明雙壁碳納米管的發(fā)光不完全等同于黑體輻射，使得 碳納米管能達到更高的光效。并且，碳納米管可以制備成具有不同功率的電燈泡以適應不同 需要，其燈絲材料的元素是碳，不會造成環(huán)境污染。此外，由于Li YL等人(Li YL, et al., Science 2004, 304: 276-278)實現(xiàn)碳納米管連續(xù)生長，且Motta M等人(Motta M, et al., Nano lett. 2005, 5:1529-1533)證明碳納米管具有優(yōu)良的拉伸強度，使碳納米管電燈泡具有迅速推廣到市場的 可能。目前Shu QK等人(Shu QK, et al., J. Appl. Phys. 2007， 101: 084306)已經(jīng)研制的雙壁碳 納米管電燈泡的光效為白熾燈的2.2倍，但相對于熒光燈等節(jié)能燈還有相當?shù)牟罹?，不具有?夠的市場競爭力。目前現(xiàn)有技術中已成功制取性能優(yōu)異的雙壁碳納米管長絲及薄膜(專利號ZL 03 1 43102.X; Wei JQ et al., J Phys Chem B， 2004, 108: 8844-8847)、大面積超薄碳納米管薄膜(專 利申請?zhí)?00510123986.2，公開號CN1803594)和碳納米管燈絲(專利申請?zhí)?200310103042.X,公開號CN1540713)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術中存在的雙壁碳納米管電燈泡光效不夠高的問題，提供一 種負載有Y203:E^+顆粒的雙壁碳納米管電燈泡及其制備方法，旨在利用Y203:Eu,吏雙壁碳 納米管燈絲在通電時達到更高的色溫，同時發(fā)揮丫203工113+的熒光特性，以此實現(xiàn)更高的發(fā)光 效率，以達到節(jié)能的目的。本發(fā)明所述的雙壁碳納米管電燈泡，包括雙壁碳納米管燈絲、芯柱、鎳片、玻璃泡殼和 燈頭，所述雙壁碳納米管燈絲是負載有￥203￡113+顆粒的雙壁碳納米管長絲。在本發(fā)明中，所負載的Y203:Ei^+顆粒是附著在雙壁碳納米管管壁上，保持雙壁碳納米管 表面原子的排列。在本發(fā)明中，所負載的Y203:Eu"顆粒的粒徑為5 30nm。本發(fā)明還提供了所述雙壁碳納米管電燈泡的制備方法，包括預先制備純化后的雙壁碳納 米管薄膜，該方法還包括如下步驟 '1)配制含有Y(N03)3和Eu(N03)3的溶液，兩者摩爾濃度比為(5 40) : 1，且Y(N03)3 的濃度小于或等于0.02 mol/L;2) 將所述純化后的雙壁碳納米管薄膜放入上述溶液中，緩慢滴入OH—濃度不超過0.01 mol/L的堿性溶液，并不斷攪拌，得到負載有Y203:Ei^+顆粒的雙壁碳納米管薄膜；其中滴入 堿性溶液的速度滿足以下條件即加入OH—的物質(zhì)的量與含有Y(N03)3和Eu(N03)3的溶液體 積的比值的增量每小時不超過0.001 mol/L;在滴入堿性溶液過程結(jié)束時，加入OH—的物質(zhì)的 量與含有Y(N03)3和Eu(N03)3的溶液體積的比值仍不超過0.005 mol/L;3) 用水對負載有Y203:Ei^+顆粒的雙壁碳納米管薄膜進行漂洗，直至洗液的pH值為7;4) 將負載有Y203:E^+顆粒的雙壁碳納米管薄膜從水中取出，使其收縮成負載有￥203:￡113+顆粒的雙壁碳納米管長絲；5) 將負載有Y203:Ei^+的雙壁碳納米管長絲通過鎳片固定在芯柱上，然后封裝在泡殼內(nèi)，并裝上燈頭。本發(fā)明將負載有Y203:E^+顆粒的雙壁碳納米管薄膜制備成燈絲，制備方法簡單，原材料 是有機物，相對于鎢絲燈泡減少了金屬鎢的使用，因此，其制造成本低廉。沉積的Y203:Ei^ 顆粒在純的雙壁碳納米管電燈泡基礎上增強了冷光成分，可以在較低的輸入功率時達到更高 的光效。此外，本發(fā)明提出的電燈泡繼承了白熾燈無頻閃，對人眼友好，有利于防止眼睛疲 勞等優(yōu)點，適用于有高速轉(zhuǎn)動部件車間的照明，如機床照明等。本發(fā)明提出的負載有Y203:Eu3+ 顆粒的雙壁碳納米管電燈泡還可以作為新型的節(jié)能電光源。


圖1為本發(fā)明所述的雙壁碳納米管電燈泡的結(jié)構示意圖。圖2為用于燈絲制備的負載有￥203工113+顆粒的雙壁碳納米管薄膜的透射電子顯微鏡照片。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步的說明。圖1為本發(fā)明所述的雙壁碳納米管電燈泡的結(jié)構示意圖。該雙壁碳納米管電燈泡包括雙 壁碳納米管燈絲、芯柱2、鎳片3、玻璃泡殼4和燈頭5，雙壁碳納米管燈絲為負載有Y203:Eu3+ 顆粒的雙壁碳納米管長絲1。負載有Y203:Ei^+顆粒的雙壁碳納米管長絲1通過鎳片3固定在 芯柱2上，芯柱2和玻璃泡殼4在高溫下融合到一起，燈頭5安裝在玻璃泡殼4的下面。其 中所負載的￥203￡113+顆粒是附著在雙壁碳納米管管壁上，保持雙壁碳納米管表面原子的排 列。所負載的Y203:Eu"顆粒的粒徑為5 30nm。上述雙壁碳納米管電燈泡的制備方法如下-首先，制備雙壁碳納米管薄膜根據(jù)已有專利(專利號ZL 03143102.X)所介紹的工藝，以正己烷為碳源，二茂鐵為催化劑前驅(qū)體，氬氣和氫氣的混合氣體為載氣，硫磺作為添加劑， 用化學氣相沉積法在臥式電阻爐上合成雙壁碳納米管；然后根據(jù)已有專利(專利申請?zhí)?200510123986.2，公開號CN1803594)所介紹的工藝，將前一步合成的雙壁碳納米管在空氣 中氧化，然后浸泡在雙氧水中，接著加入強酸，然后漂洗至漂洗液呈中性，最后在雙壁碳納 米管的水溶液中滴加酒精或者丙酮，使雙壁碳納米管浮出水面，展開形成雙壁碳納米管薄膜。 然后，再進行如下所述的負載和封裝步驟1) 配制含有Y(N03)3和Eu(N03)3的溶液，兩者摩爾濃度比為(5 40) : 1，且Y(N03)3 的濃度小于或等于0.02 mol/L;2) 將所述純化后的雙壁碳納米管薄膜放入上述溶液中，緩慢滴入OH—濃度不超過0.01 mol/L的堿性溶液，并不斷攪拌，得到負載有￥203工113+顆粒的雙壁碳納米管薄膜；其中滴入堿性溶液的速度滿足以下條件即加入OH—的物質(zhì)的量與含有Y(N03)3和Eu(N03)3的溶液體積的比值的增量每小時不超過0.001 mol/L;在滴入堿性溶液過程結(jié)束時，加入OH—的物質(zhì)的 量與含有Y(N03)3和Eu(N03)3的溶液體積的比值仍不超過0.005 mol/L;3) 用水對負載有Y203:Ei^+顆粒的雙壁碳納米管薄膜進行漂洗，直至洗液的pH值為7;4) 將負載有￥203￡113+顆粒的雙壁碳納米管薄膜從水中取出，使其收縮成負載有Y203:E^+顆粒的雙壁碳納米管長絲；5) 將負載有Y203:E^+顆粒的雙壁碳納米管長絲通過鎳片固定在芯柱上，然后封裝在泡 殼內(nèi)，并裝上燈頭。 ，下面給出制備雙壁碳納米管電燈泡的具體實施例。實施例1:首先采用現(xiàn)有技術制備雙壁碳納米管薄膜。在此基礎上，在雙壁碳納米管薄膜上負載 ￥203加3+顆粒，并制備燈絲和封裝燈泡，具體為-1 )配置100 mL的溶液，該溶液中Y(N03)3和Eu(N03)3摩爾濃度比為20:1 (本例中Y(N03)3 和Eu(N03)3摩爾濃度分別為0.01 mol/L和0.0005 mol/L)。2) 將雙壁碳納米管放入其中，緩慢滴入0.005 mol/L的KOH溶液，滴入速度為每小時 10 mL，共滴入5小時。在滴入堿性溶液過程中，對溶液不斷攪拌，得到負載有Y203:E^+顆 粒的雙壁碳納米管薄膜。3) 用水對負載有￥203工113+顆粒的雙壁碳納米管薄膜進行漂洗，直至洗液的pH值為7。4) 將負載有￥203工113+顆粒的雙壁碳納米管薄膜從水中取出，使其收縮成負載有 Y203:Eu"的雙壁碳納米管長絲1。5)將負載有Y203:Ei^+顆粒的雙壁碳納米管長絲1通過鎳片3固定在芯柱2上，然后封 裝在泡殼4內(nèi)，并裝上燈頭5。通過這種方法制備的基于負載有￥203￡113+顆粒的雙壁碳納米管電燈泡，可以在較低的輸 入功率時相對于基于純的雙壁碳納米管的電燈泡達到更高的光效。例如當輸入功率為2.5 W時，基于負載有Y203:E^+顆粒的雙壁碳納米管燈絲的電燈泡相對光效為6.11x/W，是基于純 的雙壁碳納米管的電燈泡的8倍，可以作為新型的節(jié)能電光源。實施例1的對比例1:在其它步驟不變的情況下，使實施例1中的Y(N03)3摩爾濃度超過0.02 mol/L (本對比 例中Y(N03)3禾卩Eu(N03)3摩爾濃度分別改為0.03 mol/L和0.0015 mol/L)。實施例1的對比例2:在其它歩驟不變的情況下，使實施例l中所加入的KOH溶液的摩爾濃度超過0.01 mol/L (本對比例中KOH溶液的摩爾濃度為0.03 mol/L)。實施例1的對比例3:在其它歩驟不變的情況下，使實施例1中所加入的KOH溶液的速度過快，例如改為每 小日寸50mL。實施例1的對比例4:在其它步驟不變的情況下，在滴入KOH溶液的過程中不攪拌。以上對比例所得到的結(jié)果均為在含有Y(N03)3和Eu(N03)3的溶液中局部形成大量的沉 淀，且這些沉淀不均勻的負載在雙壁碳納米管薄膜上，將其制備成燈絲并封裝燈泡后，燈泡 所能達到的相對光效降低。實施例1的對比例5:在其它步驟不變的情況下，將實施例1中洗液的pH值改為4，得到的結(jié)果為負載有Y203:E^+顆粒的雙壁碳納米管薄膜上沉積有其它雜質(zhì)，在制備成燈絲并封裝燈泡后，其所能 達到的相對光效降低。實施例2:首先采用現(xiàn)有技術制備雙壁碳納米管薄膜。在此基礎上，在雙壁碳納米管薄膜上負載￥203￡113+顆粒，并制備燈絲和封裝燈泡，具體為1 )配置200 mL的溶液，該溶液中Y(N03)3和Eu(N03)3摩爾濃度比為40: l(本例中Y(N03)3 和Eu(N03)3摩爾濃度分別為0.02 mol/L和0.0005 mol/L)。2)將雙壁碳納米管放入其中，緩慢滴入0.01 mol/L的NaOH溶液，滴入速度為每小時20 mL，共滴入10小時。在滴入堿性溶液過程中，對溶液不斷攪拌，得到負載有Y203:Eu3+ 顆粒的雙壁碳納米管薄膜。3) 用水對負載有Y203:E^+顆粒的雙壁碳納米管薄膜進行漂洗，直至洗液的pH值為7。4) 將負載有Y203:E^+顆粒的雙壁碳納米管薄膜從水中取出，使其收縮成負載有Y203:Eu"顆粒的雙壁碳納米管長絲1。5) 將負載有Y203:Ei^+顆粒的雙壁碳納米管長絲1通過鎳片3固定在芯柱2上，然后封裝在泡殼4內(nèi)，并裝上燈頭5。通過這種方法制備的基于負載有￥203王113+顆粒的雙壁碳納米管電燈泡，可以達到較高的 光效，達到節(jié)能的目的。實施例2的對比例1:在其它歩驟不變的情況下，使實施例2中所加入的NaOH溶液的時間加長，例如改為20 小時，使得有過量的NaOH加入到含有Y(N03)3和Eu(N03)3的溶液中。其結(jié)果是含有Y(N03)3 和Eu(N03)3的溶液中形成大量的絮狀沉淀，這些絮狀沉淀大量不均勻的附著在雙壁碳納米管 薄膜上，在制備成燈絲并封裝燈泡后，其所能達到的相對光效降低。實施例3:首先采用現(xiàn)有技術制備雙壁碳納米管薄膜。在此基礎上，在雙壁碳納米管薄膜上負載 Y203:E^+顆粒，并制備燈絲和封裝燈泡，具體為1) 配置150 mL的溶液，該溶液中Y(N03)3和Eu(N03)3摩爾濃度比為5:1 (本例中Y(N03)3 和Eu(N03)3摩爾濃度分別為0.015 mol/L和0.003 mol/L)。2) 將雙壁碳納米管放入其中，緩慢滴入0.002 mol/L的NaOH溶液，滴入速度為每小時 20mL，共滴入15小時。在滴入堿性溶液過程中，對溶液不斷攪拌。3) 用水對負載有Y203:Ei^+顆粒的雙壁碳納米管薄膜進行漂洗，直至洗液的pH值為7。4) 將負載有Y203:EuS+顆粒的雙壁碳納米管薄膜從水中取出，使其收縮成負載有￥203￡113+顆粒的雙壁碳納米管長絲1。5) 將負載有￥203工113+顆粒的雙壁碳納米管長絲1通過鎳片3固定在芯柱2上，然后封裝在泡殼4內(nèi)，并裝上燈頭5。通過這種方法制備的基于負載有Y203:E^+顆粒的雙壁碳納米管電燈泡，可以達到較高的 光效，達到節(jié)能的目的。
權利要求
1.一種雙壁碳納米管電燈泡，包括雙壁碳納米管燈絲、芯柱、鎳片、玻璃泡殼和燈頭，其特征在于所述雙壁碳納米管燈絲是負載有Y2O3:Eu3+顆粒的雙壁碳納米管長絲。
全文摘要
雙壁碳納米管電燈泡及其制備方法，屬于電致發(fā)光和納米材料應用技術領域。為了解決現(xiàn)有技術中存在的雙壁碳納米管電燈泡光效不夠高的問題，本發(fā)明公開了一種雙壁碳納米管電燈泡，包括雙壁碳納米管燈絲、芯柱、鎳片、玻璃泡殼和燈頭，所述雙壁碳納米管燈絲是負載有Y₂O₃:Eu³⁺顆粒的雙壁碳納米管長絲。本發(fā)明還公開了所述雙壁碳納米管電燈泡的制備方法。本發(fā)明所述的雙壁碳納米管電燈泡利用Y₂O₃:Eu³⁺使雙壁碳納米管燈絲在通電時達到更高的色溫，同時發(fā)揮Y₂O₃:Eu³⁺的熒光特性，實現(xiàn)了更高的發(fā)光效率。
文檔編號H01K1/14GK101221886SQ20081005652
公開日2008年7月16日 申請日期2008年1月21日 優(yōu)先權日2008年1月21日
發(fā)明者吳德海, 李昕明, 王志誠, 王昆林, 舒勤科, 曦 陳, 韋進全, 駱建彬 申請人:清華大學