功能化碳纳米管.ppt

PART COMPANY 功能化碳纳米管的研究 化工学院 The Study of Functionalized Carbon Nanotubes 1985年，“足球”结构的 C60一经发现即吸引了全世界目光KrotoH.W.Smalley R. E.和Curl R. F.亦因共同发现 C60并确认和证实其结构而获得 1996 年诺贝尔化学奖。随着C60在1985年被发现1990年实现批量制备后，寻找碳可能存在的同素异形体已成为人们关注的焦点。 碳纳米管的发现 1991年，日本 NEC 公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛(Iijima)在高分辨率电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外的发现了一种碳原子组成的同轴多层的中空管,即碳纳米管（MWNTs）。 碳纳米管中碳原子以 sp2杂化为主，同时六角型网格结构存在一定程度的弯曲，形成空间拓扑结构，其中可形成一定的 sp3杂化键，即形成的化学键同时具有sp2和sp3混合杂化状态，而这些 p 轨道彼此交叠在碳纳米管石墨烯片层外形成高度离域化的大π键，碳纳米管外表面的大π键是碳纳米管与一些具有共轭性能的大分子以非共价键复合的化学基础。另外，碳纳米管不总是笔直的，而是局部区域出现凸凹现象，这是由于在六边形编制过程中出现了五边形和七边形。 碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口）的一维量子材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约 0.34 nm，直径一般为 2~20nm。 碳纳米管的结构 按层数分类 按手性分类 (A)扶手椅型 (B)锯齿型 (C)螺旋型 （a）单壁碳纳米管（b）多壁碳纳米管 碳纳米管性能 电磁性能 热学性能 力学性能 光学性质 在力学性能方面，碳纳米管具有极高的强度、韧性和弹性模量。碳纳米管无论是强度还是韧性，都远远优于任何纤维材料。 一维管具有非常大的长径比，因而大量热能是沿着长度方向传递的，通过合适的取向，这种管子可以合成高各向异性材料。 碳纳米管具有螺旋、管状结构，预示其具有不同寻常的电磁性能。由于结构不同，碳纳米管可能是导体，也可能是半导体。 当碳纳米管平躺在衬底上时(α 取向)，其介电函数呈现明显的各向异性。当碳纳米管垂直排列在衬底上( β取向)，介电函数各向同性且数值上接近无定形碳。 碳纳米管性能 碳纳米管的制备 激光蒸发法（laserablation） 碳纳米管 制备方法 电弧放电法 （arc discharge） 化学气相 沉积法 （CVD） 具体过程：首先将石墨电极置于充满惰性气体（He或Ar）的反应容器中，保持两个电极之间的距离为1mm，通过加上大约20V电压，其电流从50到100A，在两极之间会激发出电弧，电弧温度高达 3000oC。在此条件下，石墨被蒸发，从而形成各种形式的产物，如富勒烯（C60）、无定型碳和碳纳米管等。 1、电弧放电法（arc discharge） 1991年，日本NEC电气公司物理学家Sumio lijima在对利用这种方法生产的碳纤维进行观察的时候首次发现了碳纳米管。 这种制备碳纳米管的方法在技术上比较简单，但是很难得到高纯度的碳纳米管，而且得到的碳纳米管往往以多壁碳纳米管为主。此外，该方法能耗大，不利于大规模制备。这种方法制备碳纳米管的产量与两电极间等离子体的稳定性、电流密度、惰性气氛、电极和炉腔的冷却状况有关。 具体过程：将一根由金属催化剂和石墨混合的石墨靶放置到一根在加热炉内的石英管中间。当炉温升至一定温度时，通入惰性气体于管内，并将一束激光聚焦在石墨靶上，在激光照射下可以生成气态碳，这些气态碳和催化剂粒子被气流从高温区带向低温区时，在催化剂的作用下生长成碳纳米管。 2、激光蒸发法（laserablation） 激光蒸发法是最早被用于研究碳簇和超细小颗粒的方法，R.E.Smalley等研究人员在利用激光蒸发法来制备 C60时，发现在电极中加入一定量的催化剂颗粒就能得到单壁碳纳米管。 这种方法的优点是可以得到高质量且直径可控的单壁碳纳米管，便于研究生长动力学等。使用激光蒸发法并结合纯化过程可以得到高质量的单壁碳纳米管，其高的结晶度取决于高能激光、相同退火条件和无氢的靶材。 3、化学气相沉积法（CVD） 化学气相沉积法是目前常用的制备碳纳米管的方法，这种方法是利用气态、液态或固态碳源在高温下分解产生碳原子，进而在金属催化剂表面生长出碳纳米管。 具体过程：用石英棉或其它填充物将催化剂置于反应腔(石英管)的高温区；抽真空并对反应腔加热至反应温度；通入碳源气体半小时左右；关闭气源，自然降温；最后在催化剂表面可以获得一定量的碳管。 最大优点是反应气体与催化剂的接触充分，碳管的产额高