單壁碳納米管綜述

1、 指導(dǎo)老師：葉曉萍 主講人：羅麗紅 成員：羅麗紅 張映娜 張麗玲 鄒巧云 汪強 符朝欽 張崇榮 Single-wall carbon nanotube 主講內(nèi)容 什么是納米材料 1 納米材料的特性 2 4 3 5 6 7 單壁碳納米管的概述 制備方法 應(yīng)用 前景 結(jié)語 3 1.1.納米材料納米材料 定義：定義： 結(jié)構(gòu)單元的尺寸在結(jié)構(gòu)單元的尺寸在1 1納米至納米至100100納米范圍之間的材料，其中納米范圍之間的材料，其中 1nm=101nm=10-9 -9m m 納米材料大致可分為四類：納米材料大致可分為四類： 納米粉末 納米纖維 納米膜 納米塊體 納米材料的特性納米材料的特性 量子尺寸效應(yīng)量

2、子尺寸效應(yīng)體積效應(yīng)體積效應(yīng)表面與界面效應(yīng)表面與界面效應(yīng)宏觀量子隧道效應(yīng)宏觀量子隧道效應(yīng) 納米材料其納米粒子出現(xiàn)了許多不同于常規(guī)固體的新奇特性，展納米材料其納米粒子出現(xiàn)了許多不同于常規(guī)固體的新奇特性，展 示了廣闊的應(yīng)用前景，同時它也為常規(guī)的復(fù)合材料的研究增添了新的示了廣闊的應(yīng)用前景，同時它也為常規(guī)的復(fù)合材料的研究增添了新的 內(nèi)容。內(nèi)容。 碳納米管的結(jié)構(gòu)碳納米管的結(jié)構(gòu) 碳納米管是石墨管狀晶體碳納米管是石墨管狀晶體 是單層或多層石墨片圍繞中心按一定是單層或多層石墨片圍繞中心按一定 的螺旋角卷曲而成的無縫納米級管的螺旋角卷曲而成的無縫納米級管 種類：種類： 單壁碳納米管（單壁碳納米管（SWNTS） 多

3、壁碳納米管多壁碳納米管(MWNTS) 長徑比長徑比1001000，甚至，甚至10000，為線狀物，為線狀物 碳納米管 圖示呈線狀物 （1）定義： n碳的同素異形體碳的同素異形體 n由由單層石墨片單層石墨片繞中心按一定角度卷曲而繞中心按一定角度卷曲而 成的成的無縫無縫、中空中空納米管。納米管。 單壁碳納米管單壁碳納米管 直徑為直徑為1-6 nm （2 2）特）特 性性 更為典型的一維結(jié)構(gòu)更為典型的一維結(jié)構(gòu) 無層間交互作用無層間交互作用 超級力學(xué)性能（鋼的超級力學(xué)性能（鋼的100100倍）倍） 極強的吸附性能極強的吸附性能 優(yōu)異的儲氫特性優(yōu)異的儲氫特性 更適于研究和理解碳管電子結(jié)構(gòu)和輸運現(xiàn)象更適于

4、研究和理解碳管電子結(jié)構(gòu)和輸運現(xiàn)象 單壁碳納米管 4 制備方法 （一）石墨電弧法 （二）激光蒸發(fā)法 （三）化學(xué)氣相沉積法 （一）石墨電弧法 石墨電弧法又稱石墨電弧法又稱直流電弧法直流電弧法，電弧是一種，電弧是一種氣體放電氣體放電的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。 電弧法裝置圖 基本原理：基本原理： 電弧室充惰性氣體保 護，兩石墨棒電極靠近， 拉起電弧，再拉開，以保 持電弧穩(wěn)定。放電過程中 陽極溫度相對陰極較高， 所以陽極石墨棒不斷被消 耗，同時在石墨陰極上沉 積出含有碳納米管的產(chǎn)物。 陰極陰極陽極陽極 1mm He氣氣 石墨電弧法裝置結(jié)構(gòu)示意圖石墨電弧法裝置結(jié)構(gòu)示意圖 在陰極上在陰極上 沉積出碳沉積出碳 納米管納

5、米管 陽極石墨陽極石墨 蒸發(fā)蒸發(fā) 氦氣為載氣，氣壓 5060Pa， 電流60A100A，電壓19V25 V， 電極間距1 mm4mm，產(chǎn)率50。 優(yōu)點：優(yōu)點： 設(shè)備比較簡單，產(chǎn)量大，制得的設(shè)備比較簡單，產(chǎn)量大，制得的SWNTs管直，結(jié)晶度高。管直，結(jié)晶度高。 缺點：缺點： 電弧溫度高達電弧溫度高達30003700 C時時, SWNTs被燒結(jié)在一起，造成較多的缺陷。被燒結(jié)在一起，造成較多的缺陷。 產(chǎn)物中含有較多雜質(zhì)產(chǎn)物中含有較多雜質(zhì)(如催化劑、無定形炭等如催化劑、無定形炭等)，需進一步系統(tǒng)提純，電弧的，需進一步系統(tǒng)提純，電弧的 放電過程較難控制，成本較高。放電過程較難控制，成本較高。 燒結(jié)在一起

6、的SWNTS 高度純化的SWNTS 激光蒸發(fā)法激光蒸發(fā)法是將一根金屬催化劑金屬催化劑、石墨石墨混合的石墨靶放置于 一長形石英管中間，該管則置于一加熱爐內(nèi)。當爐溫升至 1200時，將惰性氣體惰性氣體充入管內(nèi)，并將一束激光聚焦于石墨 靶上。石墨靶在激光照射下將生成氣態(tài)碳氣態(tài)碳，氣態(tài)碳和催化劑催化劑 離子離子被氣流從高溫區(qū)帶向低溫區(qū)，在催化劑的作用下生長成 單壁碳納米管。 裝置圖如下： （二）激光蒸發(fā)法（二）激光蒸發(fā)法 圖1 激光蒸發(fā)法裝置圖 影響因素：影響因素： 催化劑 保護壓強（3.0 x104一 4.5 x 104 Pa） 氣體（氦氣、氬氣） 激光脈沖時間間隔 （間隔越短，產(chǎn)率越高） 激光脈沖

7、功率（功率 ，直徑） 激光蒸發(fā)法制備工藝流程 激光蒸發(fā)法制備單壁納米碳管的優(yōu)點是產(chǎn)物純度高，激光蒸發(fā)法制備單壁納米碳管的優(yōu)點是產(chǎn)物純度高， 易于提純。易于提純。 不足之處在于設(shè)備復(fù)雜、昂貴，而且產(chǎn)量不大。不足之處在于設(shè)備復(fù)雜、昂貴，而且產(chǎn)量不大。 （三）化學(xué)氣相沉積法 化學(xué)氣相沉積法主要機理：是使含有碳源的氣體(如乙炔乙 烯等石油氣)流經(jīng)金屬催化 劑(如鐵、鉆、鎳等)表面時分解， 從而產(chǎn)生出碳納米管。 氣相沉積法裝置圖 特點：特點： 設(shè)備簡單、條件易控、能大規(guī)模制備、可直接生長在 合適的基底上 常用氣體：常用氣體： 甲烷、一氧化碳、苯等 催化劑：催化劑： Fe、Co、Ni、Mo等以及它們的氧化

8、物 1催化劑 2管式爐 3石英 4熱電偶 5氣體混合 6溫度控制 優(yōu)點：相對于電弧法和激光蒸發(fā)法而言,化學(xué)氣相沉 積法因具有合成溫度較低 產(chǎn)量高、 納米碳管的直 徑及螺旋性易控制等優(yōu)點而逐漸成為合成納米碳管 的一種主要方法。 缺點：產(chǎn)率較低且反應(yīng)氣體不能重復(fù)使用 l制備的主要目標：（1）連續(xù)批量生產(chǎn)；（2）結(jié)構(gòu)分布 均勻且可控；（3）成本低，純度高; l有待優(yōu)化的關(guān)鍵因素：（1）碳源；（2）催化劑及載體； （3）制備條件; l符合實際生產(chǎn)、能大批量制備的方法是石墨電弧法和化 學(xué)氣相沉積法。 制備方法總結(jié)制備方法總結(jié) 5 5 應(yīng)用應(yīng)用 儲氫材料 電子領(lǐng)域 高強度復(fù)合材料領(lǐng)域 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域 儲氫材

9、料 超級電容器 軍事方面的復(fù)合材料生物傳感器 u 優(yōu)點：作為當今材料科學(xué)領(lǐng)域的明星材料之一，SWNTs以獨特的結(jié)構(gòu)及 性能展示出了它在各個領(lǐng)域的潛在價值。諾貝爾獎獲得者的C60發(fā)現(xiàn)者之一 R.E.Smalley稱：“碳納米管將是價格便宜，環(huán)境友好并為人類創(chuàng)造奇跡的新 材料。” 6 碳納米管的發(fā)展前景兩面看 u缺點：存在幾個問題有待解決，：一是，如何實現(xiàn)高質(zhì)量碳納米管的連續(xù)批量工 業(yè)化生產(chǎn)。二是，如何更深入研究碳納米管實際應(yīng)用問題。例如，在常溫常壓下如 何解析氫氣及加快其儲氫放氫速度。 另外，碳納米管對人體存在一定的毒性作用。 單壁納米碳管作為納米材料和碳分子的一個新成員， 以其獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)受到人們?nèi)找鎻V泛的關(guān)注。人 們正在努力探索新方法制備它，以獲得高純度、產(chǎn)量大、 管徑均勻、缺陷少、操作