纳米碳管的特性及其应用.ppt

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1、碳纳米管的特性及其应用科技前沿进中学系列活动中国科学院纳米材料小组2010-09-10报告的主要内容碳纳米材料发展简史碳纳米材料的分类碳纳米管碳纳米管的制备方法碳纳米管的物理化学性质碳纳米管的应用将来可能的研究方向碳家族金刚石石墨富勒烯碳纳米管一碳纳米材料发展简史1985年发现了巴基球(C60)；柯尔、克罗托和斯莫利在模拟宇宙长链碳分子的生长研究中，发现了与金刚石、石墨的无限结构不同的，具有封闭球状结构的分子C60。（1996年获得诺贝尔化学奖）1991年日本电气公司的S. Iijima在制备C60、

2、对电弧放电后的石墨棒进行观察时，发现圆柱状沉积。空的管状物直径0.7-30 nm，被称为Carbonnanotubes(CNTs）；1992年瑞士洛桑联邦综合工科大学的D.Ugarte等发现了巴基葱(Carbonnanoonion)；1857年，法拉第制备出金纳米颗粒2000年，北大彭练矛研究组用电子束轰击单壁碳纳米管，发现了Ф0.33nm的碳纳米管,稳定性稍差;2003年5月，日本信州大学和三井物产下属的公司研制成功Ф0.4nm的碳纳米管。2004年3月下旬,中国科学院高能物理研究所赵宇亮、陈振玲、

3、柴之芳等研究人员，利用一定能量的中子与C70分子相互作用，首次成功合成、分离、表征了单原子数目富勒烯分子C141。2004，曼彻斯特大学的科学家发现Graphene(石墨烯)。进一步激发了人们研究碳纳米材料的热潮。二碳纳米材料的分类(1)碳纳米管碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体，一般可分为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管。(2)纳米碳纤维纳米碳纤维是由碳组成的长链。其直径约50-200nm，亦即纳米碳纤维的直径介于纳米碳管（小于100nm）和气相生长碳纤维之间。(3)碳球根据尺寸大小

4、将碳球分为：(1)富勒烯族系Cn和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构，直径在2—20nm之间)，如C60，C70等；(2)纳米碳粉。(4)石墨烯石墨烯（graphene）是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是构建其它维度碳质材料的基本单元。C60（零维）碳纳米管（一维）金刚石（三维）石墨（二维）石墨烯三《碳纳米管化学纪事》“纳米豆腐的世界”日本电镜学家S.Iijima在Iijima的发现前后及时地预言了这种新的碳结构的各种性质，同时预言了单壁管的存在。她对碳纳米管结构的完整理解走在了

5、世界的最前面在制备C60的沉积物中发现纳米管揭开了CNTs研究的序幕美国物理学家MildredS.Dresselhaus96年诺贝尔奖者RichardE.Smalley发展了一种大量制备碳纳米管的方法——激光脉冲法(laserablation)，并制造出了大批高质量的单壁纳米管，还组建了纳米管生产公司碳纳米管对纳米材料的发展做出了不可磨灭的贡献按照石墨烯片的层数，可分为：单壁碳纳米管（Single-wallednanotubes,SWNTs）：由一层石墨烯片组成。单壁管典型的直径和长度分别为0.75～

6、3nm和1～50μm。又称富勒管(Fullerenestubes)。2)多壁碳纳米管（Multi-wallednanotubes,MWNTs）：含有多层石墨烯片。形状象个同轴电缆。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。多壁管的典型直径和长度分别为2～30nm和0.1～50μm。单壁碳纳米管多壁碳纳米管四碳纳米管的制备方法石墨电弧放电法（已用于工业化生产）化学气相沉积法激光蒸发（烧蚀）法等离子体法增强等离子热流体化学蒸气分解沉积法PE-HF-CVD热解聚

7、合物法（化学热解法）离子（电子束）辐射法催化裂解法电解法提高纯度、增加产率4.1石墨电弧放电法基本原理：电弧室充惰性气体保护，两石墨棒电极靠近，拉起电弧，再拉开，以保持电弧稳定。放电过程中阳极温度相对阴极较高，所以阳极石墨棒不断被消耗，同时在石墨阴极上沉积出含有碳纳米管的产物。理想的工艺条件：氦气为载气，气压60—50Pa，电流60A～100A，电压19V～25V，电极间距1mm～4mm，产率50％。Iijima等生产出了半径约1nm的单层碳管。电弧区温度非常高，碳纳米管缺陷较多4.2碳氢化合物催化分

8、解法化学气相沉积（CVD）法能大规模制备、但杂质较多需后续处理单壁碳纳米管的CVD合成条件制备条件非常宽松4.3激光蒸发石墨法激光蒸发制备碳纳米管示意图激光脉冲时间间隔（间隔越短，产率越高）激光脉冲功率（功率↑，直径↓）碳纳米管直径可控、纯度高4.4等离子体法将苯蒸气通过等离子体分解后产生的碳原子簇沉积于水冷铜板上，得到长度可达200μm的碳纳米管。在该方法中多壁碳纳米管的生长按外延生长模式进行，其生长速率为0.1nm/s。此方法的设备复杂、造价昂贵推广