石墨烯与碳纳米管

1、石墨烯与碳纳米管主讲人：张涛所属学院：化学与化工学院所学专业：化学工程与工艺制作日期：2017.10.14>1>2> 3”A> 6目录石墨烯和碳纳米管简介石墨烯和碳纳米管的制备方法石墨烯和碳纳米管在催化反应中的应用耳磧逆和碳纳米管做载体制备负载型催化剂参考文7石墨烯简单来说就是4又勺一丁"、八石墨层片，是由SP?杂化的碳原子紧密结构的二维晶体。31.2碳纳米管的简介碳纳米管：可以看作是由石墨片卷绕而成的无缝中空管;分为单壁纳米管和多壁纳米管。参考文献：胡晓阳.,2013.1.3石墨烯与碳纳米管的关系石墨烯与碳纳米管是同素异形体，性质上有一些异同：由于二者碳碳键

2、的结合方式，导致二者相似的力学性能和热学性能，都表现为较高的热导率；然而二者碳纳米管石墨烯结构的差异导致它们迥异的光电性能参考文献：胡晓阳.碳纳米管和石墨烯的制备及应用研究D.郑州大学,2013.>2,1石墨烯的制备方法机械剥离法超声辅助溶剂剥切割纳米碳管法湿化学合成法（化学法）碳化物的外延生长法氧化石墨烯（GO）还原法SiC分解法化学气相沉积法（CVD）参考文献：岳伟超.石墨烯、碳纳米管及纳米金复合材料修饰电极的制备及其应用研究D广西大学,2014./石墨烯制备方法比较方法名称具体过程机械剥离法反复撕拉高定向热解石墨得到石墨烯纳米片层超声辅助溶剂剥离法与机械剥离法类似，利用溶剂分子与石

3、墨烯纳米片层之间的相互作用，克服纳米片层间的范德华力，从而使剥离下来的石墨烯单片层能够稳定分散在溶剂中用浓H2SO4和KMnOq这两种强氧化剂切割纳米碳管法或钾蒸汽将纳米碳管切割成石墨烯带湿化学合成法学法厂以具有SP?结构的小分子前驱体在一定条件下拼接得到石墨烯纳米片层优点缺点廉价、有效、质量高、低缺陷、大尺寸厚度不可控，操作耗时,无法实现大批量生产可直接制得产物，实现批量生产层数不可控，表面大兀结构相对比较完整，片层表面相对惰性，水分散性差具有优异的电化学性质，可大量制备具有良好的单片层结构，可摟杂其他物质,实现批量生产技术尚未成熟高温高压，产物不可控,表面大兀结构相对比较完整，片层表面相对

4、惰性，水分散性差"石墨烯制备方法比较方法名称通过使用硫酸、硝酸及高铤酸钾、双优点缺点氧化石墨烯（GO）还原法（曩广矗氧水等氧化剂将天然石墨氧化，增大石墨层之间的间距，插入氧化物，制得氧化石墨。水洗，低温干燥，制得氧化石墨粉体。通过物理剥离、高温操作简单，产量高,廉价，表面存在的质量较低，氧化还原法使用硫酸、硝酸等强酸，存在较大的危膨胀等方法对氧化石墨粉体进行剥离,制得氧化石墨烯。将氧化石墨烯还原,得到石墨烯含氧官能团险性，又须使用大量的水进行清洗，带大较大的环境污染SiC外延法佟芋气相沉积法（CVD）在超高真空的高温环境下，使硅原子升华脱离材料，剩下的C原子通过自组形式重构，得到基于

5、SiC衬底的石墨烯在1000°C的实验条件下，以甲烷为碳源，铜片为生长基底，通过化学气相沉积制备得到尺寸达到厘米尺度的石墨烯纳米片层质量高对设备要求较高尺寸可控，高质量,保持了石墨烯高导电性能的特性和机械强度需要大量的生长基底,成本高，制备条件苛刻（高温条件），无法大批量廉价制备>2.2碳纳米管的制备方法9激光蒸发法丿电弧放电法<乂化学气相沉积法碳纳米管模板法参考文献：萧国强.CVD法制备碳纳米管的催化剂的制备工艺D广东工业大学，2003./碳纳米管的制备方法比较10方法名称具体过程优点缺点包弧放电法（最早）石墨电极在电弧产生的高温下蒸发,在阴极沉积出纳米管。激光蒸发法激

6、光束能量使碳靶（石墨靶）或含催化剂的碳靶局部高温蒸发，形成石墨碎片卷成碳纳米管。设备简单，产量大产物纯度高，易于提纯产物不纯，生长不可调，生产成本高设备复杂，昂贵，产量低，成本高化学气相沉积法模板法借鉴气相生长碳纤维的制备方法，以CH"C2H2等碳氢气体为原料气，在过渡金属元素Fe、Co、Ni等催化剂的作用下高温分解，制得碳纳米管。利用含碳气体在通过吸附有催化剂的具有10100nm孔径的载体时，在载体中生成碳纳米管。工艺简单，产物纯度高，易纯化产量大，管径可调,技术还未完全成熟，还未实现工厂化大批量生产难制备大量良好的载取向性好体D石墨烯作为催化反应催化剂的应用：石墨烯所具备的高比表

7、面，良好机械性能，优异的导热、导电能力使得它在催化方面也存在着巨大的潜能。例如催化氧化苯号醇、醛酮的缩合反应、硫醇的缩合反应、FriedeL-Crafts反应等。=2)墨烯作和反趙化剂载体的应用：墨烯超高的比表面，良好的导电性和机械强度，作为催化剂载体具有良好的潜质。一般应用于越催化、电催化、多相催化。参考文献：陈笑笑.石墨烯表面氧化结构对芳香族硝基化合物的吸附一催化性能与作用机理D.浙江大学,2017.>3.2碳纳米管在催化反应中的应用D催化反应催化剂载体12碳纳米管具有极高的强度和硬度，耐热、耐腐蚀性好，并具有尺寸小等特性。它独特的纳米中空结构，使得它有可能作为一种纳米反应器。它有合

8、适的孔径分布，便于金属组分更好地分散。尤其是表面性质，能依据人们的需要进行修饰，使其适合作为新型催化剂载体。目前，以碳纳米管作载体的催化剂，在电催化、甲醇拨基化、合成氨、甲醇制氢、Fischer-Tropsc反应、氢甲酰化等领域都取得了比常规催化剂更好的效果。lACIJIfI利用碳纳米管对氢的优良吸附、活化及存储性能,作为催化反应催化剂的载体和促进剂，能很好地促进含氢合成反应，能够大犬提高产品的产率参考文献：萧国强.CVD法制备碳纳米管的催化剂的制备工艺D.广东工业学,2003.9)>4.1石昼烯作载体制备负载型催化剂石墨烯：紫外光辅助法、模板法、水热法等(a) 石墨烯负载的纳米复合材料

9、(b) 石墨烯包覆的纳米复合材料(c) 石墨烯嵌入的纳米复合材料(d) 基于石墨烯的多层纳米复合材料参考文献：江林海.石墨烯负载纳米复合材料的制备及其性质研究D吉林大学,2013./方法比较方法名称具体过程紫外光辅助法在紫外辐射下，需要特定的有机修饰剂制备出不同粒径的纳米催化剂標板法将金属前驱物引入石墨烯模板孔道中，然后经焙烧在纳米孔道中生成氧化物晶体，去除模板后制备出彳目应的介孔材料在密封的压力容器中，以水或有机物为溶剂，加入石墨烯和金属，在高温高压的条件下进行的化学反应14优点缺点具有光学活性仪器昂贵，成本高工艺简单，催化剂电影响因素较多难化学性覽?分散惕偏諾光催化性能较单一的高，分布均匀

10、，循环稳定性高设备要求高，反应环境苛刻，成本高，无法直观观察其生长>4.2碳纳米管作载体制备负载型催化剂一浸渍法沉淀法参考文献：杨红晓.碳纳米管负载过渡金属催化剂加氢性能研究D南京大学，20门.15/方法比较16方法名称具体过程优点浸渍法'（常用）先把碳纳米管浸渍在金属盐溶液中，使之充分混合，浸渍一定时间后，干燥样品，然后在高温和惰性气体保护下焙烧制备简单，易于大规模生产，具有较高的活性沉淀法在搅拌的情况下把沉淀剂（碱类物质）加入金属盐类的水溶液中，再将生成的沉淀物洗涤、过滤、干燥和焙烧，制备出所需要的催化剂活性组份达到分子水平的均匀混合，有效地控制孔径大小和分布液相化学还原法将

11、载体在溶剂（如水、乙醇、异丙醇及其混合物等）中分散均匀，选择加入贵金属前驱体，调节至合适的pH值，在一定的温度下，滴加过量的还原剂，即可得到所需要的催化剂粒径小，分布窄，性能较好，可调节尺寸采用物理和化学手段，使金属粒子或非金属粒子沉积于碳纳米管表面，再利用后续热处表面分散均匀，性理技术，使沉积物向碳纳米管的管壁扩散，能较优，尺寸可调从而形成负载型复合材料缺点影响因素多，难于准确地调控金属粒子的分散性和催化剂的性能当两种或两种以上金属化合物同时存在时，由于沉淀速率和次序的差异，会影响固体的最终结构，重现性较差易受表面官能团的影响开口率低，难以控制时间和温度，难以填充参考文献171 胡晓阳.碳纳

12、米管和石墨烯的制备及应用研究D郑州大学,2013.2 刘芙.碳管负载纳米颗粒及碳管/高分子复合材料的表征及应用D.浙江大学，200&3 陈笑笑.石墨烯表面氧化结构对芳香族硝基化合物的吸附一催化性能与作用机理D浙江大学,2017.4 杨红晓.碳纳米管负载过渡金属催化剂加氢性能研究D.南京大学,2011.5 江林海.石墨烯负载纳米复合材料的制备及其性质研究D.吉林大学,2013.6 罗贤宇.石墨烯负载贵金属纳米催化剂的制备及催化氧化性能D.华南理工大学，2013.刀宋贺婕.石墨烯一碳纳米管负载型催化剂催化氧化甲醇研究D.湖南大学,2016.8 岳伟超.石墨烯、碳纳米管及纳米金复合材料修饰电极的制备及其应用研究D.广西大学，2014.9 马晓明.碳纳米管负载/促进合成气制低碳混合醇Mo-Co-K硫化物基催化剂研究D厦门大学,2006.10 萧国强.CVD法制备碳纳米管的催化剂的制备工艺D广东工业大学,2003.ThanksattenticoV、旷i-OO