本發(fā)明涉及納米材料技術領域，特別涉及一種金屬氧化物納米鏈的制備方法及納米鏈。

背景技術：

納米材料由于其獨特的物理化學效應，在化工、生物工程和醫(yī)學等多個領域具有廣闊的應用場景。現(xiàn)有的納米材料主要包括納米管、納米帶和納米鏈等。

其中，納米金屬顆粒連接在一起形成的金屬納米鏈是最常見的納米鏈結(jié)構。在合成金屬納米鏈時，主要基于檸檬酸鈉與氯金酸的氧化還原反應，金屬顆粒在模板上進行自組裝，形成金屬納米鏈。

通過此方法合成的金屬納米鏈長度較短，一般限制在微米級。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明實施例提供了一種金屬氧化物納米鏈的制備方法及納米鏈，能提高納米鏈的長度。

本發(fā)明實施例提供了一種金屬氧化物納米鏈的制備方法，包括：

在基板上設置狹縫；

以金屬納米顆粒作催化劑，將所述基底加熱至1000℃～1100℃，并控制碳源氣體、氫氣和水蒸氣組成的混合氣體流經(jīng)加熱后的所述基底，以在所述基底上的所述狹縫中間，生長1cm～10cm碳納米管；

氣化金屬氧化物，氣化后的所述金屬氧化物沿著所述碳納米管形成納米片，所述碳納米管與生長于所述碳納米管上的所述納米片構成納米鏈。

上述制備納米鏈的方法中，首先通過化學氣相沉積方式制備出厘米級的超長碳納米管，然后氣化金屬氧化物，使得氣態(tài)金屬氧化物在超長碳納米管上形成納米片，由此制得厘米級長度的納米鏈，其中，納米鏈的每個單元由二維層狀材料的納米片和對應的碳納米管段組成，由此大大提高了納米鏈的長度。

其中，生長碳納米管的基底一般為硅材質(zhì)的基底，在基底上設置狹縫的過程可以通過以下方式實現(xiàn)：

利用光刻法在基底上刻出一定數(shù)量的狹縫，或者在一塊尺寸較大的基底表面黏附多塊尺寸較小的基底，則尺寸較小的基底之間的縫隙即為狹縫。

另外，金屬納米顆?？梢詾閒e、mo、cu和cr中的任意一種納米顆粒。

金屬納米顆粒的制備過程可以為：將fe、mo、cu和cr中任意一種的金屬氯化物的乙醇溶液或水溶液涂抹于基底上，然后將基底置于反應器中，并將反應器加熱至800℃～1000℃，然后向反應器中通入氫氣或氫氣與惰性氣體的混合氣體進行還原反應，以此制得金屬納米顆粒。

由于碳納米管的制備技術發(fā)展完善，則基于碳納米管制備金屬氧化物納米管的操作過程非常簡便，操作容易，適于納米鏈的批量化生產(chǎn)。并且，這種技術方法不局限于某種特定材料，對于能夠吸附在碳納米管表面的材料都可以結(jié)晶并連接成納米鏈，是一種通用的制備方法。

另外，在碳納米管上生長多個納米片的過程是同時進行的，則納米鏈的生長時間幾乎與生長單個納米片的時間相同，即總生長時間為單個納米片長度除以平均生長速率。而現(xiàn)有技術在制備一維納米材料時，幾乎是以設定速率從頭生長至結(jié)束，如碳納米管生長時間為總長度除以平均生長速率，由此，本實施例提供的納米鏈制備方法還提高了納米鏈的生長效率。

可選地，在所述生長1cm～10cm碳納米管之后，在所述氣化金屬氧化物之前，進一步包括：

將固態(tài)金屬氧化物和所述碳納米管放置于同一反應器內(nèi)；

將所述反應器抽成真空環(huán)境；

所述氣化金屬氧化物，包括：

在所述真空環(huán)境中，將所述反應器加熱至400℃～500℃，使所述固態(tài)金屬氧化物升華為氣態(tài)金屬氧化物，以使所述碳納米管位于所述氣態(tài)金屬氧化物氣氛內(nèi)。

可選地，所述氣化后的所述金屬氧化物沿著所述碳納米管生長納米片，包括：

保持所述反應器內(nèi)溫度為400℃～500℃，并保持所述碳納米管位于所述氣態(tài)金屬氧化物氣氛內(nèi)時長為30min～60min，所述氣態(tài)金屬氧化物在所述碳納米管表面沉積，形成厚度為50nm～500nm，長度為500nm～2000nm的納米片。

可選地，所述真空環(huán)境的真空度為-101kpa～-10kpa。

將固態(tài)金屬氧化物和碳納米管放置在同一反應器內(nèi)，例如將其放置在真空腔或抽濾罐中，并利用真空泵不斷抽出反應器中的氣體，在反應器中制造一定的真空度，從而保證在氣化金屬氧化物后，反應器內(nèi)有足夠的金屬氧化物分子密度，即保證反應器內(nèi)有較高濃度的金屬氧化物氣相氛圍。由此，當基底上的碳納米管接觸金屬氧化物分子時，金屬氧化物分子可快速聚集在碳納米管上，形成二維層狀結(jié)構，即納米片。而由于碳納米管表面的吸附性能，可以降低表面能，因此金屬氧化物分子會優(yōu)先沿著碳納米管結(jié)晶生長，而不在基板上生長。控制反應時間在30min～60min，金屬氧化物形成的納米片會連接在一起，形成連續(xù)的納米鏈結(jié)構。

優(yōu)選地，所述金屬氧化物包括：氧化鉬、氧化鋅或氧化鎢中的任意一種。

在該實施例中，選用的金屬氧化物的升華溫度較低，便于對金屬氧化物進行氣化。并且，這些金屬氧化物在光催化領域具有重要的應用，例如，利用氧化鉬的光敏性能可促進可見光吸收，且其比表面積較高，使其表面活性位點較多，可以大幅增加催化劑活性。以氧化鉬為例，可利用一維氧化鉬負載二氧化鈦，從而提高純二氧化鈦的光催化反應速率。同時，氧化鉬還具有電致變色和光電轉(zhuǎn)換性能，層狀的氧化鉬納米片能夠增加比表面積，增加fe、co、ni等離子的摻雜效率，從而能夠有效提高光電轉(zhuǎn)換效率。由此，根據(jù)金屬氧化物不同的電學性能，可利用碳納米管等一維材料在基板上形成電學器件的結(jié)構圖形，然后以碳納米管為模板原位制備形成納米鏈等金屬氧化物一維結(jié)構，由此發(fā)揮不同材料的電學性能。

本發(fā)明實施例還提供了一種利用本發(fā)明上述任一實施例所述的方法制備的納米鏈，包括：碳納米管以及納米片；其中，

所述碳納米管的長度為1cm～10cm；

所述納米片生長于所述碳納米管表面，并沿著所述碳納米管排列。

可選地，每一個所述納米片的厚度為50nm～500nm，長度為500nm～2000nm。

可選地，在所述碳納米管上排列的納米片中，每兩個所述納米片之間的間距為-500nm～0nm。

可選地，所述納米片的成分包括：氧化鉬、氧化鋅或氧化鎢中的任意一種。

可選地，所述碳納米管的直徑為2nm～4nm。

本發(fā)明實施例提供了一種納米鏈的制備方法及納米鏈，通過化學氣相沉積方式制備出厘米級的超長碳納米管，然后氣化金屬氧化物，使得氣態(tài)金屬氧化物在超長碳納米管上生成納米片，由此制得厘米級長度的納米鏈，其中，納米鏈的每個單元由二維層狀材料的納米片和對應的碳納米管段組成，由此大大提高了納米鏈的長度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明一個實施例提供的一種納米鏈的掃描電鏡圖；

圖2是本發(fā)明一個實施例提供的另一種納米鏈的掃描電鏡圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例，基于本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

下述實施例中所使用的實驗方法如無特殊說明，均為常規(guī)方法。下述實施例中，所使用的各類設備、試劑和材料若無特別說明，均為常規(guī)市售可得。

下面通過幾個具體的實施例對本發(fā)明作進一步的說明。

制備碳納米管的過程主要包括：

通過光刻法或黏貼法在基底上刻出多個狹縫；

將fe、mo、cu和cr中任意一種的金屬氯化物的乙醇溶液或水溶液涂抹于基底上，然后將基底置于反應器中，并將反應器加熱至800℃～1000℃，然后向反應器中通入氫氣或氫氣與惰性氣體的混合氣體進行還原反應，制得金屬納米顆粒；

以金屬納米顆粒作催化劑，通過反應器將基底加熱至1000℃～1100℃，并控制碳源氣體、氫氣和水蒸氣組成的混合氣體流經(jīng)基底，以在所述基底上的所述狹縫中間，生長1cm～10cm碳納米管。

制備納米鏈的過程主要包括：

將固態(tài)金屬氧化物和所述碳納米管放置于同一反應器內(nèi)；

將所述反應器抽成真空環(huán)境；

在所述真空環(huán)境中，將所述反應器加熱至400℃～500℃，使所述固態(tài)金屬氧化物升華為氣態(tài)金屬氧化物，以使所述碳納米管位于所述氣態(tài)金屬氧化物氣氛內(nèi)；

保持所述反應器內(nèi)溫度為400℃～500℃，并保持所述碳納米管位于所述氣態(tài)金屬氧化物氣氛內(nèi)時長為30min～60min，所述氣態(tài)金屬氧化物在所述碳納米管表面沉積，形成厚度為50nm～500nm，長度為500nm～2000nm的納米片，所述碳納米管與生長于所述碳納米管上的所述納米片構成納米鏈。

下面以幾個實施例詳細闡述制備碳納米管的過程以及制備納米鏈的過程。

實施例1用以闡述利用金屬鐵納米顆粒作為催化劑制備碳納米管，并利用制得的碳納米管和氧化鉬粉末制備氧化鉬納米鏈。

實施例1：

步驟a1：利用光刻法在基底上設置毫米級狹縫；

步驟b1：將濃度為0.02mol/l的三氯化鐵的乙醇溶液涂抹在基底上，并將涂有三氯化鐵的乙醇溶液的基底送入石英管反應器中，向石英管反應器中通入氫氣和氬氣的混合氣體并加熱石英管反應器，控制氫氣的流速為200ml/min，氬氣的流速為400ml/min；當溫度升至950℃時，恒溫進行還原反應20min，得到粒徑為金屬鐵納米顆粒；

步驟c1：將石英管反應器的溫度升至1005℃，此時關閉氬氣，并將氫氣的流速改變?yōu)?0ml/min，同時通入20ml/min的甲烷和水蒸氣的混合氣，反應50min，得到10cm碳納米管，其直徑為3nm；

步驟d1：將氧化鉬粉末放在坩堝中，將載有碳納米管的基底倒置蓋在坩堝上，并將載有氧化鉬粉末和碳納米管的坩堝放置在真空腔中，利用真空泵將真空腔抽成真空環(huán)境，真空度保持在-50kpa左右。

步驟e1：利用熱臺對真空腔進行整體加熱，控制溫度為400℃，使氧化鉬粉末升華為氣態(tài)氧化鉬，以使碳納米管位于氣態(tài)氧化鉬氣氛內(nèi)，保持30min，使氣態(tài)氧化鉬在碳納米管表面沉積，沿著碳納米管生長厚度為50nm～70nm，長度為500nm～550nm的納米片，碳納米管與生長于所述碳納米管上的所述納米片構成氧化鉬納米鏈。

利用掃描電鏡對生成的氧化鉬納米鏈進行觀察，結(jié)果如圖1和圖2所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，各個納米片形狀較為規(guī)則，各個納米片之間沒有空隙，部分納米片之間還有重疊部分。而現(xiàn)有技術制備出的金屬納米鏈中，每個金屬顆粒為球形不規(guī)則結(jié)構，連接處不明顯，因此利用本實施例中提供的方法可以在一定程度上彌補納米鏈的結(jié)構缺陷。

另外，納米片為較為規(guī)則的二維層狀結(jié)構，這將會進一步帶來更大的比表面積以及可調(diào)控的電學性能等。并且，層狀結(jié)構層與層之間還可插入不同離子，以此調(diào)節(jié)納米鏈的光敏和氣敏性能。

實施例2：

其反應過程與實施例1相似，只是控制真空腔的真空度為-101kpa，并使碳納米管處于氣態(tài)氧化鉬的氣氛中，保持60min，生長出的納米片厚度為100～140nm，長度為1000nm～1300nm。

實施例3：其反應過程與實施例1相似，只是控制碳納米管的生長時間為30min，得到長度為5cm，直徑為3nm的碳納米管。在此5cm碳納米管上長納米片，制備出納米鏈。

實施例4用以闡述利用金屬銅納米顆粒作為催化劑制備碳納米管，并利用制得的碳納米管和氧化鋅粉末制備氧化鋅納米鏈。

實施例4：

步驟a4：利用黏貼法在基底上設置毫米級狹縫；

步驟b4：將濃度為0.5mol/l的氯化銅的乙醇溶液涂抹在基底上，并將涂有氯化銅的乙醇溶液的基底送入石英管反應器中，向石英管反應器中通入氫氣和氬氣的混合氣體并加熱石英管反應器，控制氫氣的流速為200ml/min，氬氣的流速為500ml/min；當溫度升至900℃時，恒溫進行還原反應30min，得到金屬銅納米顆粒；

步驟c4：將石英管反應器的溫度升至1005℃，此時關閉氬氣，并將氫氣的流速改變?yōu)?60ml/min，同時通入80ml/min的甲烷和水蒸氣的混合氣，反應120min，得到1cm碳納米管，其直徑為2nm；

步驟d4：將氧化鋅粉末放在坩堝中，將載有碳納米管的基底倒置蓋在坩堝上，并將載有氧化鋅粉末和碳納米管的坩堝放置在抽濾罐中，利用真空泵將真空腔抽成真空環(huán)境，真空度保持在-10kpa左右。

步驟e4：利用電爐對抽濾罐進行整體加熱，控制溫度為500℃，使氧化鋅粉末升華為氣態(tài)氧化鋅，以使碳納米管位于氣態(tài)氧化鋅氣氛內(nèi)，保持40min，使氣態(tài)氧化鋅在碳納米管表面沉積，沿著碳納米管生長厚度為100nm～160nm，長度為800nm～1200nm的納米片，碳納米管與生長于所述碳納米管上的納米片構成氧化鋅納米鏈。

實施例5：

其反應過程與實施例4相似，只是控制真空腔的真空度為-30kpa，并使碳納米管處于氣態(tài)氧化鋅的氣氛中，保持60min，生長出的納米片厚度為200nm～500nm，長度為1500nm～2000nm。

實施例6：

其反應過程與實施例4相似，只是控制真空腔的真空度為-80kpa，并使碳納米管處于氣態(tài)氧化鋅的氣氛中，保持30min，生長出的納米片厚度為400nm～500nm，長度為1500nm～2000nm。

實施例7：

其反應過程與實施例4相似，只是控制碳納米管的生長時間為160min，得到長度為8cm的，直徑為4nm的碳納米管。在此碳納米管上生長納米片，制備出納米鏈。

實施例8用以闡述利用實施例1制備出的碳納米管和氧化鎢粉末制備氧化鎢納米鏈。

實施例8：

步驟a8至步驟c8制備碳納米管的過程，與實施例1中的步驟a1至步驟c1的過程一致，在此不再贅述；

步驟d8：將氧化鎢粉末放在坩堝中，將載有碳納米管的基底倒置蓋在坩堝上，并將載有氧化鎢粉末和碳納米管的坩堝放置在抽濾罐中，利用真空泵將真空腔抽成真空環(huán)境，真空度保持在-30kpa左右。

步驟e4：利用熱臺對抽濾罐進行整體加熱，控制溫度為450℃，使氧化鎢粉末升華為氣態(tài)氧化鎢，以使碳納米管位于氣態(tài)氧化鎢氣氛內(nèi)，保持30min，使氣態(tài)氧化鎢在碳納米管表面沉積，沿著碳納米管生長厚度為150nm～200nm，長度為1300nm～1800nm的納米片，碳納米管與生長于所述碳納米管上的納米片構成氧化鎢納米鏈。

實施例9：

其反應過程與實施例8相似，只是控制真空腔的真空度為-60kpa，并使碳納米管處于氣態(tài)氧化鋅的氣氛中，保持35min，生長出的納米片厚度為400nm～450nm，長度為1000nm～1500nm。

根據(jù)上述方案，本發(fā)明的各實施例至少具有如下有益效果：

1、在本發(fā)明實施例中，通過化學氣相沉積方式制備出厘米級的超長碳納米管，然后氣化金屬氧化物，使得氣態(tài)金屬氧化物在超長碳納米管上生成納米片，由此制得厘米級長度的納米鏈，其中，納米鏈的每個單元由二維層狀材料的納米片和對應的碳納米管段組成，由此大大提高了納米鏈的長度。

2、在本發(fā)明實施例中，在碳納米管上生長多個納米片的過程是同時進行的，則納米鏈的生長時間幾乎與生長單個納米片的時間相同。由此提高了納米鏈的生長效率。

3、在本發(fā)明實施例中，將碳納米管與金屬氧化物所處的反應器抽成真空環(huán)境，從而保證在氣化金屬氧化物后，反應器內(nèi)有較高濃度的金屬氧化物氣相氛圍，這有利于金屬氧化物分子快速聚集在碳納米管上，形成二維層狀納米片。

4、在本發(fā)明實施例中，由于碳納米管的制備技術發(fā)展完善，則基于碳納米管制備納米鏈的操作過程非常簡便，操作容易，因此有利于快速批量化生產(chǎn)納米鏈。

需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二之類的關系術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同因素。

最后需要說明的是：以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，僅用于說明本發(fā)明的技術方案，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。