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CVD制备螺旋碳纳米管 研究背景 合成方法 生长机理 4. 展望 主要内容 1. 研究背景 发展历史 在1953年，W. Davis首次报道了螺旋碳纤维； 1991年，日本S. Iijima通过高分辨透射电子显微镜意外地发现了碳纳米管； 1990s，碳纳米管的发现，非常规形貌的碳材料(如螺旋状和弯曲状)的研究更加受到关注； 1992年，B. L Dunlap和S. Ihara相继通过理论计算、分子模拟等手段推测出螺旋结构碳纳米管的存在； 1994年，X,B. Zhang首次通过实验观测到螺旋碳纳米管； 近年来一些研究小组开展了一系列基于螺旋碳纳米管制备和机理的研究，并开发了不同领域的应用前景。 1. 研究背景 b. 分类 螺旋数： 单螺旋 双螺旋 三螺旋 螺旋形貌： 发辫型 DNA螺旋型 绕曲型 图1 各种类型的螺旋碳纳米管 Journal of Advanced Research. 2012, 3, 195. 1. 研究背景 c. 独特的性能 形状特性 ：聚合物复合增强 很高的本征振动频率：微质量传感器 良好的力学机械性能：机械能存储器，精密弹簧 左右旋手性 图2 螺旋碳纳米管（coiled carbon nanotubes , CCNTs） 2 合成方法 石墨电弧法： 在惰性气体氛围中，通过电弧放电将石墨电极加热到3000℃以上，从阴极物质中收集得到螺旋碳纳米管的方法。 优点：结构完整、无缺陷； 缺点：杂质多，产量低。 激光蒸发法： 激光蒸发法是指在石墨靶中加入催化剂颗粒，将石墨靶放入加热炉中，在惰性气体保护下，当炉温高于1200℃时，用激光束轰击石墨靶表面，在催化剂的作用下生长成螺旋碳纳米管的过程。 优点：质量较好，无需纯化处理； 缺点：产量低。 2 合成方法 化学气相沉积法(CVD): 化学气相沉积法是以有机气体为碳源，过度金属颗粒为催化剂，在600-1200℃温度范围内催化裂解含碳气体合成螺旋碳纳米管。 优点：产量更高，最为常用，研究最多方法； 缺点：对催化剂的制备要求高。 2. 合成方法 催化剂的制备 方案1：结晶法 醋酸钴 饱和溶液 60℃ 搅拌 催化剂晶粒 CaCO3载体 0℃水浴 Coacetate/CaCO3 过滤干燥 NH3气氛 Coacetate/CaCO3(750℃) Coacetate/CaCO3 过滤干燥，750℃ 过滤干燥 2. 合成方法 催化剂的制备 方案2：浸渍法 CaCO3载体 13X 沸石载体 硅胶载体 醋酸钴溶液 Coacetate/CaCO3 Coacetate/13X沸石 Coacetate/硅胶 悬浊液 碱性溶液 调节pH=8-9 浸渍 浸渍 浸渍 2. 合成方法 催化剂的制备 方案3：球磨法 醋酸钴 乙酰丙酮铁 硝酸铁 硝酸钴 CaCO3 13X沸石 Coacetate/CaCO3 Fe-Coacetate/CaCO3 Conitrate/CaCO3 Fe-Conitrate/CaCO3 Coacetate/13X沸石 Fe-Coacetate/13X沸石 Conitrate/13X沸石 Fe-Conitrate/13X沸石 Coacetate/ 13X沸石 Fe-Coacetate/ 13X沸石 Fe-Conitrate/ 13X沸石 催化剂 球磨 NH3气氛 处理 2. 合成方法 b. 螺旋碳纳米管的合成 图3 CVD制备螺旋碳纳米管的实验装置 720℃ 载气，N2：500 sccm 碳源，C2H2:10 sccm 催化剂 反应30 min 影响主要包括三方面： 1. 催化剂的制备方法的影响； 2. 不同离子的催化剂影响； 3. 不同催化剂基底的影响； 2. 合成方法 c. 催化剂的影响 催化剂/基底 制备方法 碳的产量 螺旋形成 Coacetate/CaCO3 结晶 0.0000 无 Coacetate/CaCO3 浸渍 0.3258 有 Coacetate/CaCO3 球磨 0.1236 无 表1 不同制备方法制备螺旋碳纳米管 2. 合成方法 催化剂/基底 制备方法 碳的产量 螺旋形成 Coacetate/CaCO3 球磨 0.1236 无 Fe-Coacetate/CaCO3 球磨 0.4559 无 Conitrate/CaCO3 球磨 0.5882 无 Fe-Conitrate/CaCO3 球磨 1.8124 有 表2 不同离子的催化剂制备螺旋碳纳米管 2. 合成方法 催化剂/基底 制备方法 碳的产量 螺旋形成 Coacetat