纳米碳管的特性及其应用.ppt

碳纳米管的特性及其应用 报告的主要内容 碳纳米材料发展简史 碳纳米材料的分类 碳纳米管 碳纳米管的制备方法 碳纳米管的物理化学性质 碳纳米管的应用 将来可能的研究方向 碳家族 一 碳纳米材料发展简史 2000年，北大彭练矛研究组用电子束轰击单壁碳纳米管，发现了Ф0.33 nm的碳纳米管,稳定性稍差; 2003年5月，日本信州大学和三井物产下属的公司研制成功Ф 0.4 nm的碳纳米管。 2004年3月下旬, 中国科学院高能物理研究所赵宇亮、陈振玲、柴之芳等研究人员，利用一定能量的中子与C70分子相互作用，首次成功合成、分离、表征了单原子数目富勒烯分子C141。 2004 ，曼彻斯特大学的科学家发现Graphene(石墨烯)。进一步激发了人们研究碳纳米材料的热潮。 二 碳纳米材料的分类 三 四 碳纳米管的制备方法 石墨电弧放电法 （已用于工业化生产） 化学气相沉积法 激光蒸发（烧蚀）法 等离子体法 增强等离子热流体化学蒸气分解沉积法PE-HF-CVD 热解聚合物法（化学热解法） 离子（电子束）辐射法 催化裂解法 电解法 4.1 石墨电弧放电法 4.2 碳氢化合物催化分解法 单壁碳纳米管的CVD合成条件 4.3 激光蒸发石墨法 4.4 等离子体法 将苯蒸气通过等离子体分解后产生的碳原子簇沉积于水冷铜板上，得到长度可达200μm的碳纳米管。 在该方法中多壁碳纳米管的生长按外延生长模式进行，其生长速率为0.1nm/ s。 此方法的设备复杂、造价昂贵推广使用存在困难。 4.5 增强等离子热流体化学蒸气分解沉积法(PE-HF-CVD法) 1. 通过等频磁控管喷镀法将金属镍涂敷在玻璃上，厚度为40 nm; 2. 以乙炔气体作为碳源，同时以氨气作为催化剂，在666℃条件下，通过等离子体热流体化学蒸气分解沉积; 3. 可制备在镀有镍层的玻璃上排列整齐的由多根碳纳米管组成的管束，碳纳米管管束的直径和长度分别为20-40 nm和0.1-50μm。 4.6 热解聚合物法 通过热解某种聚合物、聚乙烯或有机金属化合物，也可以得到碳纳米管。 如通过把柠檬酸和甘醇聚酯化作用得到的聚合物在400℃空气气氛下热处理8h，然后冷却到室温，得到了碳纳米管。 在420～450℃下用金属镍作为催化剂，在氢气气氛下热解粒状的聚乙烯，合成了碳纳米管。 在900℃、氩气和氢气气氛下热解二茂铁、二茂镍、二茂钴，也得到了碳纳米管材料。 4.7 浮动催化法制备多壁碳纳米管 浮动催化法是一种可以批量半连续制备碳纳米管的方法，一般采用有机金属化合物为催化剂原料，与碳氢化合物一同引入反应室，在一定温度下分解出金属原子并聚集成一定大小的催化剂颗粒。碳氢化合物在催化剂颗粒上吸附、分解、扩散并析出碳纳米管。 反应室为陶瓷管，放置在立式电阻炉(额定温度1200℃)中。反应溶液随载气(氢气)以蒸气的形式引入反应室。 其它得到碳纳米管的方法 碳纳米管可以在50℃的低温下通过铯与纳米孔状无定形碳的放热反应自发形成； 乙炔和苯低压火焰燃烧的烟灰里也发现了碳纳米管； 以熔融碱金属卤化物为电解液，以石墨棒为电极，在氩气气氛中通过电解方法合成了碳纳米管以及葱状结构； 在粉末冶金法制备的合金Fe-Ni-C、Fe-Ni-Co-C的微孔洞中发现了富勒烯和单层碳纳米管。 5.2 碳纳米管的力学性能 高机械强度：钢100倍强度，1/6重量 高长径比: 103数量级 高比表面: 400-500m2/g 5.3 碳纳米管的热学性能 5.4 碳纳米管的电性能 碳纳米管具有开放的多孔结构，并能在与电解质的交界面形成双电层，从而聚集大量电荷，具有制备高性能超级电容器的潜质； “内腔含水的”单根单壁碳纳米管：管中的自由载流子与管内的水分子会产生一定程度的耦合，可以产生‘电动马达’和‘发电机’效应； 由量子限域效应带来的金属性和半导体性 根据卷起的方向矢量 (n,m)不同，单壁纳米管（大致）可以呈现金属性（metallic, 无能隙(band gap)）或半导体性（semiconducting, 有能隙）。 根据折起的外部形态上可以分为A椅式(armchair)、B交错式(zigzag)、C手性(chiral)。所以椅式管一定是金属性管，而交错式和手性则既有可能是金属性管，也有可能是半导体性管。 5.5 碳纳米管的场发射特性 5.6　碳纳米管的储氢性能 5.7　碳纳米管的吸附性能 硝酸氧化处理后的碳纳米管对铅，铜和镉离子显示出了良好的吸附效果，单一金属离子的吸附研究结果表明，碳纳米管对铅、铜和镉离子的最大吸附容量分别为97.08，28.49和10.86mg/g； 碳纳米管对Pb2+的亲合性最强，Cu2+次之，Cd2+最弱； 碳纳米管对3种金属离子