碳納米管紙-輕化112劉仰勛1101050208

1、碳納米管紙（巴基紙）碳納米管紙（巴基紙）輕化112班劉仰勛1101050208引言 1991 年日本電鏡專家 Iijima發(fā)現(xiàn)碳納米管, 立即引起物理界、 化學(xué)界和材料科學(xué)界以及高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)部門的廣泛關(guān)注, 在科學(xué)界掀起了繼發(fā)現(xiàn) C60之后關(guān)于碳同素異形體的又一次研究熱潮。碳納米管具有優(yōu)異的物理化學(xué)特性, 在很多領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。 到目前為止, 碳納米管的許多宏觀體都已有報(bào)道： 1碳納米管陣列； 2碳納米管長絲； 3碳納米管紙( 也稱為 Buckypaper, 巴 基紙)； 4碳納米管薄膜； 巴基紙是由相互糾纏的碳納米管,通過管與管間的范德華力構(gòu)成的像紙一樣的碳納米管薄層。與碳納米管薄膜

2、相比,巴基紙為自支撐( Free -standing) 結(jié)構(gòu), 具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能。巴基紙的屬性巴基紙的屬性 巴基紙的重量只是普通紙的是十分之一，但是如果把一摞巴基紙壓制成一種復(fù)合材料，它的強(qiáng)度可能是鋼的500倍。與其他復(fù)合材料不同，它可以驅(qū)散熱量，如黃銅或鋼，它可以進(jìn)行導(dǎo)電，如銅或硅一樣可以導(dǎo)電。 由于具有很好的電學(xué)性能, 從而使得巴基紙?jiān)谥苿?dòng)器、 傳感器、 電容器、 電極、 燃料電池和場發(fā)射顯示器等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。生物燃料電池生物燃料電池巴基紙的應(yīng)用1. 防火，由于碳納米管或碳纖維的致密層的有效反射熱，覆蓋一層薄薄的巴基紙材料顯著提高耐火性能。2. 如果暴露電荷，巴基紙可以用來

3、照亮電腦和電視屏幕。這可能是更節(jié)能，并可能允許的亮度更均勻，比目前的陰極射線管（CRT ）和液晶顯示器（LCD）技術(shù)水平更高。3. 由于個(gè)別碳納米管的已知最導(dǎo)熱的材料之一，巴基紙本身散熱器的發(fā)展，將使計(jì)算機(jī)及其他電子設(shè)備的散熱更有效。這可能會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)電子小型化。4. 碳納米管紙具有 優(yōu)異的電學(xué)性能， 可以用作軍用飛 機(jī)的隱身涂層， 使其免受雷達(dá)偵測。5. 巴基紙可以作為一個(gè)過濾膜，捕獲空氣或液體中的微粒。巴基紙的碳納米管，具有不溶性和功能可與多種官能團(tuán)，他們可以選擇性地刪除化合物或可以作為一個(gè)傳感器。6. 生產(chǎn)成本降低產(chǎn)量加大，巴基紙復(fù)合材料可作為一個(gè)有效的裝甲，也可能應(yīng)用于太空設(shè)備，如：設(shè)

4、想的太空電梯。巴基紙的制備 按照巴基紙的制備過程, 可以將巴基紙的制備方法分為兩步法和一步法。所謂兩步法, 是指先制備出碳納米管；然后再通過適當(dāng)?shù)暮筇幚磉^程將碳納米管制備成巴基紙的方法;而一步法指的是直接生長出巴基紙的方法。 目前制備巴基紙的方法以兩步法為主, 兩步法主要包括抽濾法、 旋涂法和滾壓法。 抽濾法制作碳納米管紙 50mg 純度為純度為95% 以上的高純以上的高純單壁碳納米管單壁碳納米管、 0. 5g 的表面活的表面活性劑性劑 TritonX -100 溶于溶于50 mL 去去離子水中離子水中超聲震蕩、抽濾超聲震蕩、抽濾（孔徑為（孔徑為0.22Lm 的的聚四氟乙烯薄膜作聚四氟乙烯薄膜

5、作為濾膜）為濾膜）單壁碳納米管膜單壁碳納米管膜 去離子水清洗去離子水清洗, , 甲醇清洗甲醇清洗 （除除去殘余的表面活性劑去殘余的表面活性劑）；）；真空中干真空中干燥燥, , 使碳納米管膜與聚四氟乙烯薄使碳納米管膜與聚四氟乙烯薄膜分離膜分離。碳納米管紙?zhí)技{米管紙 抽濾多壁碳納米管水溶液制備的巴基紙抽濾多壁碳納米管水溶液制備的巴基紙 優(yōu)點(diǎn)是所需設(shè)備簡易、 價(jià)格低廉, 在過濾之前可以純化碳納米管, 從而獲得鐵含量很低的巴基紙。 缺點(diǎn)是制備的巴基紙中碳納米管的排列比較彎曲, 容易結(jié)塊所得巴基紙較脆, 在干燥和與過濾膜分離的過程中巴基紙容易發(fā)生破裂。為了獲得機(jī)械強(qiáng)度高的巴基紙需要對碳納米管進(jìn)行官能團(tuán)化

6、處理, 這就使得制備過程更為復(fù)雜;或者在碳納米管中添加一些表面活性劑, 但表面活性劑不容易完全去除,影響了巴基紙的電學(xué)和力學(xué)性能。旋涂法制備巴基紙 旋涂法是將碳納米管的溶液滴加到高速旋轉(zhuǎn)的基板上旋涂法是將碳納米管的溶液滴加到高速旋轉(zhuǎn)的基板上來制備巴基紙的一種方法來制備巴基紙的一種方法。 在石英基底上制備定向在石英基底上制備定向排列的碳納米管排列的碳納米管, ,在碳納米管的頂端用旋涂在碳納米管的頂端用旋涂 法涂覆一層甲苯磺酸鐵薄法涂覆一層甲苯磺酸鐵薄 膜膜, , 用化學(xué)氣相聚合的方法在碳用化學(xué)氣相聚合的方法在碳納米管的頂端涂覆一層導(dǎo)電性良納米管的頂端涂覆一層導(dǎo)電性良好的聚乙撐二氧噻吩薄膜好的聚乙

7、撐二氧噻吩薄膜, ,并在聚并在聚 乙撐二氧噻吩薄膜的頂端澆鑄乙撐二氧噻吩薄膜的頂端澆鑄 一層聚偏二氟乙烯薄膜一層聚偏二氟乙烯薄膜, ,將碳納米管直接從石將碳納米管直接從石 英板上剝離英板上剝離, , 形成強(qiáng)形成強(qiáng) 度很好的自支撐結(jié)構(gòu)。度很好的自支撐結(jié)構(gòu)。 旋涂法制備巴基紙的掃描電鏡照片旋涂法制備巴基紙的掃描電鏡照片 優(yōu)點(diǎn)是, 用可以導(dǎo)電的基板與碳納米管交纏在一起, 形成強(qiáng)度很好的巴基紙,而且碳納米管具有很好的定向性; 缺點(diǎn)是包含聚合物高分子, 并不是完全由碳納米管交纏在一起的巴基紙, 應(yīng)用的領(lǐng)域受到一定限制。滾壓法制備巴基紙 清華大學(xué)的范守善教授課題組發(fā)明了一種利用多米諾效應(yīng)來制備碳納米管水平

8、定向排列巴基紙的滾壓法。在硅基底上用在硅基底上用 CVD CVD 方法制方法制備定向排列的多壁碳納米管備定向排列的多壁碳納米管 在碳納米管的頂端在碳納米管的頂端覆蓋一塊多微孔薄膜覆蓋一塊多微孔薄膜, ,薄膜上放一個(gè)圓柱形薄膜上放一個(gè)圓柱形的圓筒的圓筒 所有碳納米管由于范德華力而所有碳納米管由于范德華力而相互交纏在一起相互交纏在一起, ,形成定向排列形成定向排列的的碳納米管巴基紙?zhí)技{米管巴基紙沿著一個(gè)方向用恒定壓力推動(dòng)圓筒滾壓法滾壓法制備巴基紙的宏觀和電鏡照片制備巴基紙的宏觀和電鏡照片 該方法克服了抽濾法制備的巴基紙中碳納米管彎曲和結(jié)塊現(xiàn)象, 可以在不用添加任何表面活性劑的情況下制備出力學(xué)性能很

9、好的巴基紙, 能用于制備碳納米管很長且平直排列的巴基紙。上圖為用該法制備的巴基紙的宏觀( a) 和掃描( b)照片。 該方法的缺點(diǎn)是不能除去碳納米管中的催化劑顆粒和非晶碳等雜質(zhì),雖然可將定向排列的碳納米管制備成巴基紙, 但是要將本身無序排列的碳納米管制備成巴基紙則較為困難;同時(shí)該方法仍然屬于兩步法制備巴基紙, 比一步法制備巴基紙過程復(fù)雜。一步法制備巴基紙 又稱CVD 法（碳?xì)浠衔镌谝欢ǖ臏囟认路纸?氣相碳在基體上沉積,形成具有金剛石晶體結(jié)構(gòu)的薄膜的工藝） 在硅基底上沉積一在硅基底上沉積一層層 5 20nm 5 20nm 厚的鋁薄厚的鋁薄層作為緩沖層層作為緩沖層 在鋁薄層上沉積一在鋁薄層上沉積

10、一層層 1 3nm 1 3nm 厚的催化厚的催化劑鐵顆粒層劑鐵顆粒層 乙烯為碳源乙烯為碳源, , 氬氣、氫氣和水氬氣、氫氣和水蒸氣作為載氣蒸氣作為載氣碳納米管紙?zhí)技{米管紙生長溫度為生長溫度為750 800 750 800 碳源進(jìn)給完畢后碳源進(jìn)給完畢后, , 仍然仍然通入載氣一段時(shí)間。通入載氣一段時(shí)間。CVDCVD法制備的碳納米管紙典型形貌法制備的碳納米管紙典型形貌 為什么碳源進(jìn)給完畢后, 仍然通入載氣一段時(shí)間？ 水蒸氣對制備自支撐巴基紙起到了非常重要的作用, 對碳納米管也有一定的氧化作用, 微量的水蒸氣可以使碳納米管與基底脫離。 該方法的優(yōu)點(diǎn)是用固定催化劑法直接制備出巴基紙,同時(shí)通入一定量的水蒸氣刻蝕碳納米管中的非晶碳,所制備的巴基紙很純凈, 不需要任何純化措施; 缺點(diǎn)是催化劑的沉積過程較復(fù)雜, 一定程度上增加了制備成本。 一步法制備巴基紙比兩步法制備巴基紙?jiān)谥苽溥^程上更為簡單,避免了有機(jī)溶劑的使用, 并且所得巴基紙具有良好的力學(xué)性能, 但是不易純化,