碳纳米管专题.ppt

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1、碳纳米管专题CarbonNano-tubes1碳纳米管的发展背景2碳纳米管的结构3碳纳米管的制备与后处理方法4碳纳米管的基本性质5碳纳米管的相关应用1碳纳米管的发展背景背景：纳米材料的发展1984年德国萨尔兰大学Gleiter以及美国的阿贡实验室的Sieyel相继制得了纯物质的纳米细粉。Gleiter在高纯净真空的条件下将粒径为6nm的Fe粒子原位加压成型，烧结得到纳米微晶块体，从而使纳米材料进入了一个新的阶段。1990年7月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个

2、新分支。发现：1991年，日本学者Ijima和美国的Bethune等人在掺加过渡金属催化剂的石墨电极间起弧放电，并在制备产物中分别发现了单壁纳米管。研究结果：理论预计该材料具有优异的力学、电学、磁学等性能，极具理论研究和实际应用价值，因而激起了国内外学者的极大兴趣，碳纳米管的研究成为材料界以及凝聚态物理研究的前沿和热点。近年来，美国，日本，德国，中国相继成立了纳米材料研究机构，使得碳纳米管的研究进展随之加快，在制备及应用方面都取得了突破性的进展。2碳纳米管的结构碳纳米管是单层或多层石墨片围绕中心轴按一

3、定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管。每层纳米管是一个由碳原子通过SP2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形平面组成的圆柱面。其平面六角晶胞边长为2.46Å，最短的碳碳键长1.42Å。分类：根据制备方法和条件的不同，碳纳米管存在多壁碳纳米管(MWNTs)和单壁碳纳米管(SWNTs)两种形式。(MWNTs)的层间接近ABAB堆垛，其层数从2～50不等，层间距为0.34±0.01nm，与石墨层间距(0.34nm)相当。MWNTs的典型直径和长度分别为2～30nm和0.1～50µm，SWNTs典型的直径

4、和长度分别为0.75～3nm和1～50µｍ。碳纳米管的高分辨电子显微镜照片，从左到右为SWNT，MWNT（包含2层、3层、4层石墨片层）FromRef.3,63碳纳米管的制备纯化与表面修饰（1）碳纳米管的制备方法碳纳米管的制备方法很多，到目前为止，人们尝试了多种制备方法，如石墨电弧法、热解法、激光蒸发法、等离子体法、化学气相沉积法（催化分解法）等等。其中，电弧放电（arcdischarge）、激光蒸发（laserablation）和化学气相沉积（Chemicalvapordeposition,CVD）

5、是碳纳米管的主要制备方法。当今世界公开报道高质、高效、连续大批量工业化生产碳纳米管的实例：沸腾床催化法、化学气相沉积法碳纳米管结构示意图(A)椅形单壁碳纳米管(B)Z字形单壁碳纳米管(C)手性单壁碳纳米管(D)螺旋状碳纳米管(E)多壁碳纳米管截面图（A）电弧放电法：其方法及设备与制备Ｃ60的方法和设备都较相似。阴极采用厚约10mm，直径约为30mm的高纯高致密的石墨片，阳极采用直径约为6mm的石墨棒，整个系统保持在气压约104Pa的氦气气氛中，放电电流为50Ａ左右，放电电压20Ｖ。通过调节阳极进给速度

6、，可以保持在阳极不断消耗和阴极不断生长的同时，两电极的放电端面距离不变，从而可以得到大面积离散分布的碳纳米管，同时还可能产生碳纳米微粒。特点：产量很低，仅局限在实验室中应用，不适于大批量连续生产。(B)热解法：这种方法也很简单，将一块基板放进加热炉里加热至600℃，然后慢慢充入甲烷一类的含碳气体。气体分解时产生自由的碳原子，碳原子重新结合可能形成碳纳米管。优点：最容易实现产业化，也可能制备很长的碳纳米管。缺点：制得的碳纳米管是多壁的，常常有许多缺陷。与电弧放点法制备的碳纳米管相比，这种碳纳米管抗张强度

7、只有前者的十分之一。（C）化学气相沉积法(催化热裂解法)CVD法是一种发展比较成熟的制备碳纳米管特别是SWNTs的技术。通过激光等将过渡金属微粒和碳氢化合物同时加热到高温而使碳氢化合物发生热解而产生的。基本原理：以含碳气体（一般为烃类气体或CO）为给料气体（feedstock）供给碳源，在金属催化剂（过渡金属如Fe、Co、Mo、Ni等及其氧化物）的作用下直接在衬底表面裂解合成出SWNTs。特点：由于制备时温度较低（一般控制在500～1000℃)，生成的SWNTs缺陷较少，同时设备简单、产率较高、条件易

8、控，CVD技术有着很好的工业化前景。参数控制：通过施加电场和控制给料的气流方向，可以对SWNTs的生长方向进行控制；而通过控制作为催化剂的纳米颗粒尺寸大小，可以控制合成的SWNTS的直径范围。机理:与电弧放电法类似，主要是将一根金属催化剂/石墨混合的石墨靶放置于一长形石英管中间，该管则置于一加热炉内。当炉温升至1200℃时，将惰性气体充入管内，并将一束激光聚焦于石墨靶上。石墨靶在激光照射下将生成气态碳，这些气态碳和催化剂粒子被气流从高温区带向低温区，在催