碳納米管的制備與應(yīng)用課件

碳納米管的制備與應(yīng)用小組成員：皇甫常欣、任小敏、阮成飛、黃帥、尹力、曹娜、石芳、萬(wàn)寧波、王瀟、魏澤宇、石明、陳雯雯、賀敏匯報(bào)成員：碳納米管的制備與應(yīng)用目錄01碳納米管的結(jié)構(gòu)與特性02碳納米管的應(yīng)用03碳納米管的制備04碳納米管的純化05挑戰(zhàn)與展望碳納米管的制備與應(yīng)用1碳納米管的結(jié)構(gòu)與特性定義：徑向尺寸為納米量級(jí)，軸向尺寸為微米量級(jí)的，管狀一維量子材料。發(fā)現(xiàn)：發(fā)現(xiàn)人：日本科學(xué)家飯島澄男（SumioIijima）時(shí)間：1991年手段：高分辨透射電鏡（HRTEM）意義：開(kāi)辟了碳家族的又一同素異構(gòu)體和納米材料研究的新領(lǐng)域。碳納米管的制備與應(yīng)用1碳納米管的結(jié)構(gòu)與特性管狀的碳分子，sp2雜化碳-碳σ鍵結(jié)合起來(lái)形成由六邊形組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)作為碳納米管的骨架管壁由單石墨片層卷繞而成，兩側(cè)由富勒烯半球封端碳納米管的制備與應(yīng)用1碳納米管的結(jié)構(gòu)與特性根據(jù)卷繞方式（n,m）的不同，可分為

椅式管armchairn=m

鋸齒型管zigzagn=0

手性管chiraln≠m,m≠0單石墨片層armchair型SWNTzigzag型SWNTchiral型SWNT碳納米管的制備與應(yīng)用1碳納米管的結(jié)構(gòu)與特性多壁碳納米管可視為“同軸多層碳圓柱體的組裝體”–Russiandoll層間距~0.34nm多層碳圓柱體間由弱的VandeWaals力提供綁縛力單壁碳納米管SWNTs多壁碳納米管MWNTs碳納米管的制備與應(yīng)用2碳納米管的應(yīng)用在力學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用碳納米管西裝——防彈衣材料楊氏模量（TPa）抗拉強(qiáng)度（GPa）

斷裂伸長(zhǎng)率（%）單壁碳納米管~1(from1to5)13-5316椅式單壁碳納米管0.94126.223.1Z型單壁碳納米管0.9494.516.6-17.6手性單壁碳納米管0.92多壁碳納米管0.2-0.9511-160不銹鋼0.186-0.2140.38-1.5516-60凱夫拉纖維0.06-0.183.6-3.8~2碳納米管的制備與應(yīng)用在電磁學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用金納米團(tuán)簇-多壁碳納米管修飾電極2碳納米管的應(yīng)用碳納米管電化學(xué)傳感器碳納米管的制備與應(yīng)用在催化劑材料領(lǐng)域的應(yīng)用在碳納米管中組裝納米催化劑在儲(chǔ)氫材料領(lǐng)域領(lǐng)域的應(yīng)用碳納米管儲(chǔ)氫2碳納米管的應(yīng)用碳納米管的制備與應(yīng)用2碳納米管的應(yīng)用Science,Vol.101,No.11,2008

力學(xué)領(lǐng)域+電磁學(xué)+復(fù)合材料+載體納米管陣列二維、三維排列組合……碳納米管的制備與應(yīng)用3碳納米管的制備碳納米管的制備方法：電弧法激光蒸發(fā)法化學(xué)氣相沉積法（CVD法）增強(qiáng)等離子熱流體化學(xué)蒸氣分解沉積法（PECVD）高壓一氧化碳合成工藝（HiPCO）其它制備方法常用碳納米管的制備與應(yīng)用3.1電弧法石墨電弧法（傳統(tǒng)電弧法）石墨電弧法制備納米碳管裝置圖以石墨為電極，在惰性氣體環(huán)境中，電弧放電，消耗陽(yáng)極石墨，在陰極上生成碳納米管電壓-

12~25V；電流-

50~120A；電極間隙-

~1mm；

最早應(yīng)用的碳納米管合成方法可生產(chǎn)SWNT和MWNT碳納米管的制備與應(yīng)用復(fù)合電極電弧催化制備納米碳管裝置圖1.冷卻水2.真空3.氦氣復(fù)合電極電弧催化催化劑粉末優(yōu)勢(shì)：產(chǎn)物為SWNTs副產(chǎn)物少純度高劣勢(shì)：產(chǎn)物中摻有少

量催化劑3.1電弧法摻有過(guò)渡金屬其氧化物（如Fe,Co,Ni,Mo等）的石墨為電極碳納米管的制備與應(yīng)用J.Phys.Chem.B,Vol.101,No.11,1997

純化的SCNTs掃描電子顯微鏡圖（a）石墨層間夾雜的金屬納米粒子透射電鏡圖（b）a中納米粒子部分放大圖ba3.1電弧法碳納米管的制備與應(yīng)用3.2激光燒蝕法SCIENCEVOL.27326JULY199610nm單壁碳納米管束優(yōu)點(diǎn)：所得碳納米管品質(zhì)高，結(jié)構(gòu)完整，缺陷較少，適合生長(zhǎng)SWNT缺點(diǎn)：成本高，收率低碳納米管的制備與應(yīng)用3.3.1化學(xué)氣相沉積法（CVD）優(yōu)勢(shì)：產(chǎn)量大生產(chǎn)方法簡(jiǎn)單重復(fù)性高劣勢(shì)：雜質(zhì)多利用納米尺度的過(guò)渡金屬或其氧化物為催化劑，在相對(duì)較低的溫度(500-1200℃)下熱解碳源氣體(甲烷、乙炔、乙烯、丙烯、苯和一氧化碳等)來(lái)合成碳納米管碳納米管的制備與應(yīng)用3.3.2等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝

(Plasma-enhancedCVD,PECVD)Science.

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(5391):1105–7.優(yōu)勢(shì)：等離子體增強(qiáng)反應(yīng)活性

外加電場(chǎng)控制生長(zhǎng)方向碳納米管的制備與應(yīng)用3.3.3高壓一氧化碳合成工藝（HiPCO，High-pressurecarbonmonoxidesynthesis）將冷的含有羰基鐵Fe(CO)5的高壓CO氣體,和預(yù)先加熱到1200℃的CO氣體相混合，使含有催化劑的高壓CO氣體,在不到1毫秒的時(shí)間內(nèi)加熱到1000℃。這時(shí)羰基鐵分解出的Fe原子相互碰撞形成鐵納米顆粒，鐵納米顆粒進(jìn)而和CO反應(yīng)生成CO2并留下一個(gè)碳原子2001.Cambridge:CambridgeUniversityPress.碳納米管的制備與應(yīng)用3.4其它制備方法固相熱解法水熱晶化法太陽(yáng)能法電解法溶膠凝膠法……碳納米管的制備與應(yīng)用4碳納米管的純化合成產(chǎn)物中，常伴有大量雜質(zhì)，如無(wú)定型碳、富勒烯、金屬催化劑等碳納米管的制備與應(yīng)用4碳納米管的純化化學(xué)方法：電化學(xué)氧化法微波加熱氧化法液相氧化法氫化作用提純法

物理方法：離心分離法電泳純化法過(guò)濾純化法色譜層析法Nat.Mater.2015,14:1087-1098.+碳納米管的制備與應(yīng)用挑戰(zhàn)與展望碳納米管生長(zhǎng)機(jī)理還不夠明確，影響碳納米管的產(chǎn)量、質(zhì)量及產(chǎn)率的因素也不清楚優(yōu)化目前的生產(chǎn)、分離和提純工藝高純度、高比表面積和長(zhǎng)度、螺旋角等可控碳納米管的制備與應(yīng)用主要參考文獻(xiàn)AliEatemadi,HadisDaraee,HamzehKarimkhanloo,etal.Carbonnanotubes:properties,synthesis,purification,andmedicalapplications[J].NanoscaleResearchLetters,2014,9:393K.Tohji,H.Takahashi,Y.Shinoda,etal.PurificationProcedureforSingle-WalledNanotubes[J].J.Phys.Chem.B,1997,101:1974-1978.AndreasThess,RolandLee,PavelNikolaev,etal.CrystallineRopesofMetallicCarbonNanotubes[J].Science.1996.273:483-7.Ren,Z.F.;Huang,ZP;Xu,JW,etal.SynthesisofLargeArraysofWell-AlignedCarbonNanotubesonGlass[J].

Science.

1998.282

(5391):1105–7.Harris,PeterJ.F.Carbonnanotubesandrelatedstructures:newmaterialsforthetwenty-firstcentury.2001.Cambridge:CambridgeUniversityPress.ISBN9780521005333.OlegA.Louchev,YoichiroSatoandHisaoKanda.Growthmechanismofcarbonnanotubeforestsbychemicalvapordeposition[J].Appliedphysicsletters,2002,80(15):2752-2754.Chortos,A.,Bao,Z.A.Pursuingprostheticelectronicskin[J].Nat.Mater.2016,15:937-950Smalley,RichardE.;Li,Yubao,etal.SingleWallCarbonNanotubeAmplification:EnRoutetoaType-SpecificGrowthMechanism[