碳納米管的制備與應(yīng)用課件

1、 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、萬寧波、王瀟、魏澤宇、石明、陳雯雯、賀敏匯報成員：編輯ppt1 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)與展望編輯ppt2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1 碳納米管的結(jié)構(gòu)與特性定義：徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級的，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（Sumio Iijima）時 間：1991年手 段：高分辨透射電鏡（HRTEM）意 義：開辟了碳家族的又

2、一同素異構(gòu)體和納米材料研究的新領(lǐng)域。編輯ppt31 碳納米管的結(jié)構(gòu)與特性定義：徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為1 碳納米管的結(jié)構(gòu)與特性管狀的碳分子，sp2雜化碳-碳鍵結(jié)合起來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)由富勒烯半球封端編輯ppt41 碳納米管的結(jié)構(gòu)與特性管狀的碳分子，sp2雜化管壁由單石墨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 armchair n = m 鋸齒型管 zigzag n = 0 手性管 chiral n m, m 0單石墨片層armchair型SWNTzigzag型SWNTchiral型SWNT編輯pp

3、t51 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” Russian doll層間距0.34 nm 多層碳圓柱體間由弱的Van de Waals力提供綁縛力單壁碳納米管SWNTs多壁碳納米管MWNTs編輯ppt61 碳納米管的結(jié)構(gòu)與特性多壁碳納米管單壁碳納米管SWNTs多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）斷裂伸長率（%）單壁碳納米管1 (from 1 to 5)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

4、-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0.06-0.183.6-3.82編輯ppt72 碳納米管的應(yīng)用在力學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用碳納米管西裝材料楊氏模量（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)傳感器編輯ppt8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氫材料領(lǐng)域領(lǐng)域的應(yīng)用碳納米管儲氫2 碳納米管的應(yīng)用編輯ppt9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氫材料領(lǐng)2 碳納米管的應(yīng)用S

5、cience, 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、三維排列組合編輯ppt102 碳納米管的應(yīng)用Science, Vol. 101, No3 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）其它制備方法常用編輯ppt113 碳納米管的制備碳納米管的制備方法：常用編輯ppt113.1 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，消耗陽極石墨，在陰極上生成碳納米管電壓 -

6、 1225 V；電流 - 50120 A；電極間隙 - 1 mm； 最早應(yīng)用的碳納米管合成方法可生產(chǎn)SWNT和MWNT編輯ppt123.1 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： 產(chǎn)物為SWNTs 副產(chǎn)物少 純度高劣勢：產(chǎn)物中摻有少 量催化劑3.1 電弧法摻有過渡金屬其氧化物（如Fe, Co, Ni, Mo等）的石墨為電極編輯ppt13復(fù)合電極電弧催化制備納米碳管裝置圖 復(fù)合電極電弧催化催化劑粉J. Phys. Chem. B, Vol. 101, No. 11, 1997 純化的

7、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 電弧法編輯ppt14J. Phys. Chem. B, Vol. 101, No3.2 激光燒蝕法SCIENCE VOL. 273 26 JULY 199610nm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SWNT缺點(diǎn)：成本高，收率低編輯ppt153.2 激光燒蝕法SCIENCE VOL. 273 26 J3.3.1 化學(xué)氣相沉積法（CVD）優(yōu)勢：產(chǎn)量大 生產(chǎn)方法簡單 重復(fù)性高劣勢：雜質(zhì)多利用納米尺度的過渡金屬或其氧化物為催化劑，在相對較低的溫度 (500-12

8、00)下熱解碳源氣體(甲烷、乙炔、乙烯、丙烯、苯和一氧化碳等)來合成碳納米管編輯ppt163.3.1 化學(xué)氣相沉積法（CVD）優(yōu)勢：產(chǎn)量大利用納米尺度3.3.2 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝 (Plasma-enhanced CVD, PECVD)Science.1998. 282(5391): 11057.優(yōu)勢：等離子體增強(qiáng)反應(yīng)活性 外加電場控制生長方向編輯ppt173.3.2 等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝Science.13.3.3 高壓一氧化碳合成工藝（HiPCO，High-pressure carbon monoxide synthesis）將冷的含有羰基鐵Fe(CO)5的高壓CO氣體

9、,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毫秒的時間內(nèi)加熱到1000。這時羰基鐵分解出的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并留下一個碳原子2001. Cambridge: Cambridge University Press. 編輯ppt183.3.3 高壓一氧化碳合成工藝（HiPCO，將冷的含有羰基3.4 其它制備方法固相熱解法水熱晶化法太陽能法電解法溶膠凝膠法編輯ppt193.4 其它制備方法固相熱解法編輯ppt194 碳納米管的純化合成產(chǎn)物中，常伴有大量雜質(zhì)，如無定型碳、富勒烯、金屬催化劑等編輯ppt204 碳納米管的

10、純化合成產(chǎn)物中，常伴有大量雜質(zhì)，如無定型碳、富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濾純化法色譜層析法Nat.Mater. 2015,14:1087-1098.+編輯ppt214 碳納米管的純化化學(xué)方法：物理方法：Nat.Mater. 挑戰(zhàn)與展望碳納米管生長機(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、高比表面積和長度、螺旋角等可控編輯ppt22挑戰(zhàn)與展望碳納米管生長機(jī)理還不夠明確，影響碳納米管的產(chǎn)量、質(zhì)主要參考文獻(xiàn)Ali Eatemadi, Hadis Daraee,

11、 Hamzeh Karimkhanloo, et al. Carbon nanotubes: properties, synthesis, purification, and medical applicationsJ. Nanoscale Research Letters, 2014, 9:393K. Tohji, H. Takahashi, Y. Shinoda, et al. Purification Procedure for Single-Walled NanotubesJ. J. Phys. Chem. B, 1997, 101:1974-1978.Andreas Thess, R

12、oland Lee, Pavel Nikolaev, et al. Crystalline Ropes of Metallic Carbon NanotubesJ. Science. 1996. 273: 483-7. Ren, Z. F.; Huang, ZP; Xu, JW, et al. Synthesis of Large Arrays of Well-Aligned Carbon Nanotubes on GlassJ.Science.1998. 282(5391): 11057.Harris, Peter J. F. Carbon nanotubes and related str

13、uctures : new materials for the twenty-first century. 2001. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 9780521005333.Oleg A. Louchev, Yoichiro Sato and Hisao Kanda. Growth mechanism of carbon nanotube forests by chemical vapor depositionJ. Applied physics letters, 2002, 80(15):2752-2754.Chortos,A., Bao,Z.A. Pursuing prosthetic electronic skinJ. Nat.Mater. 2016,15:937-950Smalley, Richard E.; Li, Yubao, et al. Single Wall Carbon Nanotube Amplification: En Route to a Type-Specific Growth MechanismJ. JACS. 2006. 128 (49): 1582415829.White,T.J., Broer,D.J. Pr