碳納米管的電弧法制備及其負載納米粒子的研究

1、青島科技大學碩士學位論文碳納米管的電弧法制備及其負載納米粒子的研究姓名:杜軼鵬申請學位級別:碩士專業(yè):材料物理與化學指導教師:郝春成20070606 碳納米管的電弧法制備及其負載納米粒子的研究步提純工藝,能夠將初始產物中的絕大多數雜質去除掉,得到純凈的碳納米管。將制得的少量產物分散在無水乙醇中,超聲分散十分鐘左右,然后將懸浮液滴在帶有碳膜的透射電鏡專用銅網上,待懸浮液中的載液(乙醇揮發(fā)后,.放入電鏡樣品后,采用日本電子公司產JEM1200EX型透射電子顯微鏡(TEM,進行檢測。2.3實驗結果及討論 圖2-2氦氣氣氛還原鐵粉做催化劑制備的碳納米管TEM照片Fig.22TEM image ofth

2、e carbon nanotubes using Fe as catalyzer in He and H2圖2-2是以還原鐵粉為催化劑在氦氣氣氛中制備的碳納米管的TEM照片。從圖中可以看出碳納米管含量較多,雜質粒子分布在管與管之間。右邊的圖為局部的放大圖片,從中我們可以看到碳納米管的直徑在10nm-40nm范圍之內。并且部分碳納米管上附著有雜質粒子,而有的卻很光滑,無雜質附著。青島科技大學研究生學位論文 圖2-3氫氣氣氛還原鐵粉做催化荊制備的碳納米管TEM照片Fig.2-3TEMimageofthecarbonnanotubesu鮞喀Fe88catalyzerinArandH2從圖2-3中我們

3、可以看到在氬氣氣氛下,利用還原鐵粉做催化劑制備的碳納米管非常細,管徑大約為5nm6nm,且雜質較多,但產率要比在氦氣氣氛條件下高。說明氣氛條件對碳納米管的產率是有影響的。產物中伴隨的雜質主要附著在管壁上,由于管壁太薄,所以衍射襯度太低,導致管的形貌不是很清晰。碳納米管的電弧法制備及其負載納米粒子的研究 圖2-4氬氣氣氛下納米鐵作催化劑制備碳納米管的TEM照片ng。2-4TEMimageofthecarbonnanotubesusmgFenanoparticlecatalyzerinArand H2從圖2-4中我們可以看到產物中有大量的碳納米管,直徑在6nm左右,管徑均勻,堆積纏繞也較少,且管壁

4、上附著的雜質較少,管壁較光滑,其他碳雜質和催化劑顆粒尺寸也比較小。實驗證明,利用納米金屬催化劑制備碳納米管比利用普通的金屬催化劑制備的碳納米管的產率要高,并且產物直徑均勻。這是因為在電弧法制各反應中,納米催化劑具有更好的催化效果,能夠更容易地將電弧蒸發(fā)出來的游離C原子自組裝成為碳納米管。20青島科技大學研究生學位論文 圖25在氬氣和氫氣氣氛下納米鐵為催化劑制備的碳納米管經焙燒和鹽酸提純后的TEM照片Ftg.2-5TEMimageofthccarbonna日otubes,madeinArandtl2usingFenanopartidescatalyzer,purified by HCI solu

5、tion圖2-5是圖2_4提純后的效果,從圖中可以看到雜質粒子明顯減少,剩下的基本都是所制備的碳納米管。碳納米管之間互相交錯成網狀,分布均勻。2.5小結利用氫電弧等離子體法,以鐵為催化劑制備了碳納米管,通過改變制備中的條件優(yōu)化工藝,使生成的碳納米管的純度提高,雜質減少。(1在其他制備條件相同的情況下,氬氣氣氛條件下所得的碳納米管比在氦氣氣氛條件下所得的碳納米管產率要多,所以我們利用氬氣氣氛作基礎進行制備。 圖31所使用的碳納米菅的TEM照片F碴.3-1TEM imagc ofthe pristine carbon nanotubes20(degrees圖3-2所使用的碳納米管的XRD圖譜Fig

6、.3-2XRD pattern of the pristine carbon nanotubes:g j S 盤s l JH 圖3-3碳納米管負載納米硫化鋅粒子的TEM照片F塢.3-3TEM image ofcadm nanotubes coatedbyZnS nanopaaicles上圖3-3所示的為所制得樣品的TEM照片,其中兩張照片標尺都是50rim,從照片上我們可以看出,負載在碳納米管表面的硫化鋅納米粒子的粒徑非常小,只有幾個納米。這是因為由于碳納米管的存在,硫化鋅粒子的生長受到了碳納米管的限制。從照片中可以看到硫化鋅負載的比較均勻致密,硫化鋅納米粒子負載在碳納米管上的效果比較理想。碳

7、納米管作為硫化鋅納米粒子的載體,與硫化鋅納米粒子形成了穩(wěn)定的納米復合物。 青島科技大學研究生學位論文經過第一步的表面官能團化處理,直接進行了微波輔助加熱法負載制備的過程。對得到的產物進行了TEM分析。 圖3-5納米堿化鋅粒子負載于沒有經過官能團化處理的碳納米管的TEM照片Fig.3-5TEM imagofcarbon nanombcs coated by ZnS without me functional掣et嘣帕ncnI圖3-5所示的為對比樣品的TEM照片,第一張照片的標尺是100rim,第二張是50rim,與經過表面官能團化處理的碳納米管的負載照片相比較,我們發(fā)現這組的負載效果不理想。只有

8、少部分碳管上面負載有硫化鋅納米粒子,而大部分沒有負載上。而沒有負載在碳納米管表面的硫化鋅納米粒子團聚在一起,形成了單獨的團聚體。在反應中。碳納米管不僅作為負載基體,而且對負載的硫化鋅的晶體類型也有一定的影響。我們作了對比實驗,反應中沒有使用碳納米管,而只是用微波法輔助加熱法制備了硫化鋅納米粒子,方法同上。并對所得產物進行了TEM,XRD分析。31碳納米管的電弧法制備及其負載納米粒子的研究尋毋一圣。麗。芑圖36硫化鋅硫化鋅粒子的TEM照片Fig.3-6TEM jlnage of ZnS nanoparticles2-ThetaScale圖3-7硫化鋅負載碳納米管的XRD圖譜F蟾.3-7Powde

9、r XRD patterns for ZaS nanoparticle 32 碳納米管的電弧法制各及其負載納米粒子的研究4.3實驗結果及分析 圖42微波法制備花狀Zn0超細粒子的TEM照片Fig.4-2TEM mi,m'ograph of歷Osub-nano-particles by hydrolysis in microwave fdcd圖乒2是微波輔助加熱法制備的ZnO花狀納米粒子的TEM照片。由圖可知其形貌為花瓣狀,直徑約為1.52ttm,形狀規(guī)則一致。青島科技大學研究生學位論文 圖43微波法制備花狀Zn0納米粒子的S跏照片Flg.4-3SEM nlicrograph offlo

10、wer-like ZnO nanoparticles byhydrolysis in microwave filed 圖4-4微波法制備花狀Zn0納米粒子的SEM照片in咖wave filedhydrolysis圖4-3和4-4是微波輔助加熱法制備的ZnO花狀納米粒子的SEM照片。從圖中我們可以看到所制備的花狀氧化鋅納米粒子具有均勻的粒子尺寸。 青島科技大學研究生學位論文 圖4-6花狀Zn0/SWCNT復合結構的SIM照片Fig.4-6SEM image ofthe floral-patterned ZaO/MWCNTheterogeneity smmm圖46是碳納米管負載花狀氧化鋅納米粒子復

11、合結構的SEM照片。由圖可見微波法制備的ZnO負載在碳納米管上,對比只制備花狀氧化鋅納米粒子實驗所得產物其花瓣狀形貌沒有顯著變化。但從圖中發(fā)現其直徑大小不均勻,從幾百納米到l¨m都有,由于碳納米管的存在,氧化鋅粒子的生長受到了碳納米管的限制,所以認為可能與碳納米管不同部位的吸附能力大小不一有關。從中還可以看到氧化鋅負載的比較均勻致密,氧化鋅納米粒子負載在碳納米管上的效果比較理想。 碳納米管的電弧法制備及其負載納米粒子的研究 圖4-8花狀氧化鋅納米粒子負載于沒有進行官能化處理的碳納米管的SEll照片Fig.4-8SEM images offlower-like ZnO oil the MWCNTs that did not functional pretreated圖4.8為產物的SEM照片,我們可以看到生成的花狀氧化鋅納米粒子與碳納米管混合在一起,形成一種網狀結構。氧化鋅納米粒子不能生長在碳納米管的表面的原因是因為碳納米管的表面沒有官能團作為氧化鋅納米粒子的原位生長點。所以氧化鋅納米粒子只能在溶液中形核,混合在碳