碳纳米管的制备与应用ppt课件.ppt

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 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chiraln m m 0 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 12 25V 电流 50 120A 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 1105 7 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 andmedicalapplications J NanoscaleResearchLetters 2014 9 393K Tohji H Takahashi Y Shinoda etal PurificationProcedureforSingle WalledNanotubes J J Phys Chem B 1997 101 1974 1978 AndreasThess RolandLee PavelNikolaev etal CrystallineRopesofMetallicCarbonNanotubes J Science 1996 273 483 7 Ren Z F Huang ZP Xu JW etal SynthesisofLargeArraysofWell AlignedCarbonNanotubesonGlass J Science 1998 282 5391 1105 7 Harris PeterJ F Carbonnanotubesandrelatedstructures newmaterialsforthetwenty firstcentury 2001 Cambridge CambridgeUniversityPress ISBN9780521005333 OlegA Louchev YoichiroSatoandHisaoKanda Growthmechanismofcarbonnanotubeforestsbychemicalvapordeposition J Appliedphysicsletters 2002 80 15 2752 2754 Chortos A Bao Z A Pursuingprostheticelectronicskin J Nat Mater 2016 15 937 950Smalley RichardE Li Yubao etal SingleWallCarbonNanotubeAmplification EnRoutetoaType SpecificGrowthMechanism J JACS 2006 128 49 15824 15829 White T J