碳纳米管的制备与应用PPT幻灯片课件.pptx

碳纳米管的制备与应用,小组成员：皇甫常欣、任小敏、阮成飞、黄帅、尹力、曹娜、石芳、万宁波、王潇、魏泽宇、石明、陈雯雯、贺敏,汇报成员：周孝禹,1,目录,01,碳纳米管的结构与特性,02,碳纳米管的应用,03,碳纳米管的制备,04,碳纳米管的纯化,05,挑战与展望,2,1碳纳米管的结构与特性,定义：径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级的，管状一维量子材料。,发现：发现人：日本科学家饭岛澄男（SumioIijima）时间：1991年手段：高分辨透射电镜（HRTEM）意义：开辟了碳家族的又一同素异构体和纳米材料研究的新领域。,3,1碳纳米管的结构与特性,管状的碳分子，sp2杂化碳-碳键结合起来形成由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架,管壁由单石墨片层卷绕而成，两侧由富勒烯半球封端,4,1碳纳米管的结构与特性,根据卷绕方式（n,m）的不同，可分为椅式管armchairn=m锯齿型管zigzagn=0手性管chiralnm,m0,5,1碳纳米管的结构与特性,多壁碳纳米管可视为“同轴多层碳圆柱体的组装体”Russiandoll层间距0.34nm多层碳圆柱体间由弱的VandeWaals力提供绑缚力,单壁碳纳米管SWNTs,多壁碳纳米管MWNTs,6,2碳纳米管的应用,在力学领域的应用,碳纳米管西装防弹衣,7,在电磁学领域的应用,金纳米团簇-多壁碳纳米管修饰电极,2碳纳米管的应用,碳纳米管电化学传感器,8,在催化剂材料领域的应用,在碳纳米管中组装纳米催化剂,在储氢材料领域领域的应用,碳纳米管储氢,2碳纳米管的应用,9,2碳纳米管的应用,Science,Vol.101,No.11,2008,力学领域+电磁学,+复合材料+载体纳米管阵列二维、三维排列组合,10,3碳纳米管的制备,碳纳米管的制备方法：电弧法激光蒸发法化学气相沉积法（CVD法）增强等离子热流体化学蒸气分解沉积法（PECVD）高压一氧化碳合成工艺（HiPCO）其它制备方法,常用,11,3.1电弧法,石墨电弧法（传统电弧法）,石墨电弧法制备纳米碳管装置图,以石墨为电极，在惰性气体环境中，电弧放电，消耗阳极石墨，在阴极上生成碳纳米管电压-1225V；电流-50120A；电极间隙-1mm；最早应用的碳纳米管合成方法可生产SWNT和MWNT,12,复合电极电弧催化制备纳米碳管装置图1.冷却水2.真空3.氦气,复合电极电弧催化,优势：产物为SWNTs副产物少纯度高劣势：产物中掺有少量催化剂,3.1电弧法,掺有过渡金属其氧化物（如Fe,Co,Ni,Mo等）的石墨为电极,13,J.Phys.Chem.B,Vol.101,No.11,1997,纯化的SCNTs扫描电子显微镜图,（a）石墨层间夹杂的金属纳米粒子透射电镜图（b）a中纳米粒子部分放大图,b,a,3.1电弧法,14,3.2激光烧蚀法,SCIENCEVOL.27326JULY1996,优点：所得碳纳米管品质高，结构完整，缺陷较少，适合生长SWNT缺点：成本高，收率低,15,3.3.1化学气相沉积法（CVD）,优势：产量大生产方法简单重复性高劣势：杂质多,利用纳米尺度的过渡金属或其氧化物为催化剂，在相对较低的温度(500-1200)下热解碳源气体(甲烷、乙炔、乙烯、丙烯、苯和一氧化碳等)来合成碳纳米管,16,3.3.2等离子体增强化学气相沉积工艺(Plasma-enhancedCVD,PECVD),Science.1998.282(5391):11057.,优势：等离子体增强反应活性外加电场控制生长方向,17,3.3.3高压一氧化碳合成工艺（HiPCO，High-pressurecarbonmonoxidesynthesis）,将冷的含有羰基铁Fe(CO)5的高压CO气体,和预先加热到1200的CO气体相混合，使含有催化剂的高压CO气体,在不到1毫秒的时间内加热到1000。这时羰基铁分解出的Fe原子相互碰撞形成铁纳米颗粒，铁纳米颗粒进而和CO反应生成CO2并留下一个碳原子,2001.Cambridge:CambridgeUniversityPress.,18,3.4其它制备方法,固相热解法水热晶化法太阳能法电解法溶胶凝胶法,19,4碳纳米管的纯化,合成产物中，常伴有大量杂质，如无定型碳、富勒烯、金属催化剂等,20,4碳纳米管的纯化,化学方法：电化学氧化法微波加热氧化法液相氧化法氢化作用提纯法,物理方法：离心分离法电泳纯化法过滤纯化法色谱层析法,Nat.Mater.2015,14:1087-1098.,+,21,挑战与展望,碳纳米管生长机理还不够明确，影响碳纳米管的产量、质量及产率的因素也不清楚优化目前的生产、分离和提纯工艺高纯度、高比表面积和长度、螺旋角等可控,22,主要参考文献,AliEatemadi,HadisDaraee,HamzehKarimkhanloo,etal.Carbonnanotubes:properties,synthesis,purification,andmedicalapplicationsJ.NanoscaleResearchLetters,2014,9:393K.Tohji,H.Takahashi,Y.Shinoda,etal.PurificationProcedureforSingle-WalledNanotubesJ.J.Phys.Chem.B,1997,101:1974-1978.AndreasThess,RolandLee,PavelNikolaev,etal.CrystallineRopesofMetallicCarbonNanotubesJ.Science.1996.273:483-7.Ren,Z.F.;Huang,ZP;Xu,JW,etal.SynthesisofLargeArraysofWell-AlignedCarbonNanotubesonGlassJ.Science.1998.282(5391):11057.Harris,PeterJ.F.Carbonnanotubesandrelatedstructures:newmaterialsforthetwenty-firstcentury.2001.Cambridge:CambridgeUniversityPress.ISBN9780521005333.OlegA.Louchev,YoichiroSatoandHisaoKanda.GrowthmechanismofcarbonnanotubeforestsbychemicalvapordepositionJ.Appliedphysicsletters,2002,80(15):2752-2754.Chortos,A.,Bao,Z.A.PursuingprostheticelectronicskinJ.Nat.Mater.2016,15:937-950Smalley,RichardE.;Li,Yubao,etal.SingleWallCarbonNanotubeAmplification:EnRoutetoaType-SpecificGrowthMechanismJ.JACS.2