一维纳米材料.ppt

一维纳米材料的制备 1.碳纳米管的制备 1.1电弧法（石墨电弧法和催化电弧法） 1.2碳氢化合物催化分解法 1.3等离子体法 1.4激光法 1.5微孔模板法等 2.碳纳米管的纯化 2.1气相氧化法 2.2液相氧化法 2.3溴化－气相氧化法 3.纳米棒、纳米丝和纳米线的制备 3.1激光烧蚀法与晶体生长的气-液-固( VLS) 相结合法 3.2蒸发冷凝法 3.3 气-固生长法 3.4溶液-液相-固相（SLS）法 3.5金属有机化合物气相外延与晶体的气液固生长法相结合法 3.6模板法（碳纳米管、多孔氧化铝和聚合物模板法等） 3.7溶胶-凝胶与碳热还原法（合成碳化硅和氮化硅纳米线） 4.同轴电缆的制备 1991年发现碳纳米管（Iijima S. Nature. 1991,354:56) 一维纳米材料在介观领域和纳米器件有重要应用前景，它可用作扫描隧道显微镜 （STM）的针尖、纳米器件和超大规模集成电路中的连线、光导纤维、微电子学方面的微型钻头以及复合材料的增强剂等。 本章主要介绍碳纳米管、纳米棒、纳米丝和同轴纳米电缆的制备。 1 纳米碳管的制备 NTs是1991年饭岛首次在电弧放电法制备富勒烯(Fullerene)的阴极沉积物中发现的。目前，发展了多种制备方法，主要有电弧法、催化法、微孔模板法、等离子法、激光法、电解合成法等。 1.1 电弧法 （1）石墨电弧法 此方法原本用来生产Fullerene。原理是在真空反应室中充以一定压力的惰性气体，采用面积较大的石墨棒(直径20mm)作阴极，面积较小的石墨棒(直径10mm)作阳极。在电弧放电过程中，两石墨电极间总保持1mm的间隙，阳极石墨被消耗，在阴极和电极室的壁上沉积出含有NTs、 Fullerene、石墨微粒、无定形碳等微粒。 石墨电弧法的工艺参数 关键的工艺参数：电弧电流及电压、惰性气体种类及压力、电极的冷却速度等。 电弧电流一般为70~200A、放电电压为20~40V。若电弧电流低，有利于NTs生成，但电弧不稳定；若电弧电流高，NTs与碳的其他纳米微粒融合在一起，给纯化处理带来困难。惰性气体可用He、Ar、N2，最佳气体是He，最佳压力是66661Pa。总体上，高气压低电流有利于生成NTs。 石墨电弧法的特点 1.经过改进和优化制备条件，阴极沉积物的NTs含量可达60%。 2.电弧法制备的一般都是MWNTs，且尺寸小（长度1 μm） 3.阴极沉积物沉积时温度高(4000K),导致MWNTs缺陷多，且与其他副产物烧结在一起，对随后的分离和提纯不利。 4.但目前仍然是制备MWNTs的主要方法，因为此方法很容易产生制备NTs所需的高温。 石墨电弧法的机理 Iijima认为是NTs按外延生长模式机理生长的，气相碳原子簇不断加到具有悬空键的开口端的碳原子上，NTs不断生长，最后形成密闭碳管。 插入反应模式：认为NTs生长是通过碳原子簇直接插入具有化学活性的石墨网络中的。 电场模式：Gamaly则认为,在电弧放电过程中，阴极表面存在两种不同的碳物质——各向异性碳离子和各向同性的气相碳原子簇，在电场的作用下各向异性的碳离子导致NTs生长，从而在NTs中引进了一个关于反应坐标的对称轴，各向同性的碳原子簇则倾向于生成无对称轴的多面体碳晶体纳米微粒。 这种碳物质的两种分布模式，刚好与电弧法中两种的晶体产物---纳米碳管和多面体纳米微粒相对应。 （2）催化电弧法 催化电弧法是在石墨电弧放电法的基础上发展起来的，在阳极中以不同的方式掺杂不同的金属催化剂（如Fe、Co、Ni、Y等），利用两极的弧光放电来制备纳米碳管。其实验装置与石墨电弧法基本相同。催化电弧法主要用来制备单壁碳纳米管。能实现对SWNTs的连续化、大批量的生产。 Supapan Seraphin等将金属粉末与石墨粉末以丙酮调和成混合物装入事先已打好孔的石墨阳极的孔中，经过放电可以得到SWNTs. Chem. Phys. Lett. ( 1994, 217:191) Iijima将直径为20nm的阴极碳棒的中心钻一小洞，洞中填塞金属铁的粉末，在电弧放电所形成的高温条件下，同时产生碳和铁的蒸气相，蒸气相的铁作为均相催化剂，催化吸附由石墨碳棒形成的气相碳并生成SWNTs，然后与烟灰一起沉积在真空室壁上。 Iijima s, Ichihashi T. Nature. 1993,363:603 1.2 碳氢化合物催化分解法 70年代，采用金属(Fe、Co、Ni、Cr)作催化剂热分解碳氢化合物以制备碳纤维。受此启发，由于NTs和碳纤维在形貌上的相似性，发展了碳氢化合物催化分解法制备NTs。 Jose-Yacamdn等首先用这种方法制备了NTs，其长度达5