碳纳米管的制备与应用

1、碳纳米管的制备与应用碳纳米管的制备与应用目录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1 碳纳米管的结构与特性定义：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：发现人：日本科学家饭岛澄男（Sumio Iijima）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。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1 碳纳米管的结构与特

2、性根据卷绕方式（n, m）的不同，可分为 椅式管 armchair n = m 锯齿型管 zigzag n = 0 手性管 chiral n m, m 0单石墨片层单石墨片层armchair型型SWNTzigzag型型SWNTchiral型型SWNT1 碳纳米管的结构与特性多壁碳纳米管多壁碳纳米管可视为“同轴多层碳圆柱体的组装体” Russian doll层间距0.34 nm 多层碳圆柱体间由弱的Van de Waals力提供绑缚力单壁碳纳米管SWNTs多壁碳纳米管多壁碳纳米管MWNTs2 碳纳米管的应用在力学领域的应用碳纳米管西装防弹衣材料杨氏模量（TPa）抗拉强度（GPa）断裂伸长率（%）

3、单壁碳纳米管1(from1to5)13-5316椅式单壁碳纳米管0.94126.223.1Z型单壁碳纳米管0.9494.516.6-17.6手性单壁碳纳米管0.92多壁碳纳米管0.2-0.9511-160不锈钢0.186-0.2140.38-1.5516-60凯夫拉纤维0.06-0.183.6-3.82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

4、米管阵列二维、三维排列组合3 碳纳米管的制备碳纳米管的制备方法：碳纳米管的制备方法：l电弧法l激光蒸发法l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）l其它制备方法常用3.1 电弧法石墨电弧法（传统电弧法）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 - 1225 V；电流 - 50120 A；电极间隙 - 1 mm； 最早应用的碳纳米管合成方法可生产SWNT和MWNT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

5、合电极电弧催化复合电极电弧催化催化剂粉末优势： 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ba3.1 电弧法3.2 激光烧蚀法SCIENCEVOL.27326JULY199610nm单壁碳纳米管束优点：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3.3.1 化学气相沉积法（CVD）优势：产量

6、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3.3.2 等离子体增强化学气相沉积工艺 (Plasma-enhanced CVD, 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3.3.3 高压一氧化碳合成工艺（HiPCO，High-pressure carbon monoxide synthesis）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.3.4 其它制备方法l 固相热解法l 水热晶化法l 太阳能法l 电解法l 溶胶凝胶法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4 碳纳米管的纯化化学方法：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：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