单壁碳纳米管综述

缺点： 电弧温度高达3000~3700 °C时, SWNTs被烧结在一起，造成较多的缺陷。 产物中含有较多杂质(如催化剂、无定形炭等)，需进一步系统提纯，电弧的 放电过程较难控制，成本较高。
烧结在一起的SWNTS
高度纯化的SWNTS
（二）激光蒸发法
激光蒸发法是将一根金属催化剂、石墨混合的石墨靶放置于 一长形石英管中间，该管则置于一加热炉内。当炉温升至 1200℃时，将惰性气体充入管内，并将一束激光聚焦于石墨 靶上。石墨靶在激光照射下将生成气态碳，气态碳和催化剂 离子被气流从高温区带向低温区，在催化剂的作用下生长成 单壁碳纳米管。 装置图如下：
的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管
碳纳米管
① 单壁碳纳米管（SWNTS）
• 种类：
② 多壁碳纳米管(MWNTS) 长径比100～1000，甚至10000，为线状物
图示呈线状物
（1）定义：
碳的同素异形体
由单层石墨片绕中心按一定角度卷曲而
成的无缝、中空纳米管。
单壁碳纳米管 直径为1-6 nm
（2）特 性
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另外，碳纳米管对人体存在一定的毒性作用。
单壁纳米碳管作为纳米材料和碳分子的一个新成员， 以其独特的物理和化学性质受到人们日益广泛的关注。人 们正在努力探索新方法制备它，以获得高纯度、产量大、 管径均匀、缺陷少、操作方便且成本低廉的单壁碳纳米管， 来拓宽应用领域。尽管它本身存在一些缺点但仍具有非常 光明的前景，随着单壁碳纳米管合成技术和提纯技术的日 益成熟，大批量合成单壁碳纳米管己成为可能，单壁碳纳 米管以特有的结构和不断扩展的应用领域 , 必将开辟纳米 材料研究新天地。
（三）化学气相沉积法
化学气相沉积法主要机理：是使含有碳源的气体(如乙炔乙 烯等石油气)流经金属催化 剂(如铁、钻、镍等)表面时分解， 从而产生出碳纳米管。
特点：
设备简单、条件易控、能大规模制备、可直接生长在 合适的基底上
常用气体：
甲烷、一氧化碳、苯等
催化剂：
Fe、Co、Ni、Mo等以及它们的氧化物
电弧法装置图
在阴极上 沉积出碳 纳米管
He气
阴极 阳极
1mm 石墨电弧法装置结构示意图 阳极石墨 蒸发
· 氦气为载气，气压 50—60Pa， · 电流60A～100A，电压19V～25 V， · 电极间距1 mm～4mm，产率50％。
优点：
设备比较简单，产量大，制得的SWNTs管直，结晶度高。
图1 激光蒸发法装置图
影响因素： 催化剂 保护压强（3.0x104一 4.5 x 104 Pa） 气体（氦气、氩气） 激光脉冲时间间隔 （间隔越短，产率越高）
激光脉冲功率（功率 ↑，直径↓）
激光蒸发法制备工艺流程
激光蒸发法制备单壁纳米碳管的优点是产物纯度高， 易于提纯。
不足之处在于设备复杂、昂贵，而且产量不大。
性能展示出了它在各个领域的潜在价值。诺贝尔奖获得者的C60发现者之一 R.E.Smalley称：“碳纳米管将是价格便宜，环境友好并为人类创造奇迹的新 材料。”
缺点：存在几个问题有待解决，：一是，如何实现高质量碳纳米管的连续批量工
业化生产。二是，如何更深入研究碳纳米管实际应用问题。例如，在常温常压下如 何解析氢气及加快其储氢放氢速度。
有待优化的关键因素：（1）碳源；（2）催化剂及载体； （3）制备条件; 源自文库合实际生产、能大批量制备的方法是石墨电弧法和化 学气相沉积法。
5 应用
储氢材料
电子领域
高强度复合材料领域
生物医学领域
储氢材料 超级电容器
军事方面的复合材料
生物传感器
6 碳纳米管的发展前景两面看
优点：作为当今材料科学领域的明星材料之一，SWNTs以独特的结构及
1催化剂 2管式炉 3石英 4热电偶 5气体混合 6温度控制
气相沉积法装置图
优点：相对于电弧法和激光蒸发法而言,化学气相沉 积法因具有合成温度较低 产量高、 纳米碳管的直 径及螺旋性易控制等优点而逐渐成为合成纳米碳管 的一种主要方法。 缺点：产率较低且反应气体不能重复使用
制备方法总结
制备的主要目标：（1）连续批量生产；（2）结构分布 均匀且可控；（3）成本低，纯度高;
纳 米 粉 末
纳 米 纤 维
纳 米 膜
纳 米 块 体
3
纳米材料的特性
量子尺寸效应
体积效应
表面与界面效应
宏观量子隧道效应
纳米材料其纳米粒子出现了许多不同于常规固体的新奇特性，展 示了广阔的应用前景，同时它也为常规的复合材料的研究增添了新的 内容。
碳纳米管的结构
• 碳纳米管是石墨管状晶体
• 是单层或多层石墨片围绕中心按一定
•更为典型的一维结构
•无层间交互作用
•超级力学性能（钢的100倍） •极强的吸附性能 优异的储氢特性
单壁碳纳米管
•更适于研究和理解碳管电子结构和输运现象
4 制备方法
（一）石墨电弧法
（二）激光蒸发法
（三）化学气相沉积法
（一）石墨电弧法
石墨电弧法又称直流电弧法，电弧是一种气体放电的现象。 基本原理： 电弧室充惰性气体保 护，两石墨棒电极靠近， 拉起电弧，再拉开，以保 持电弧稳定。放电过程中 阳极温度相对阴极较高， 所以阳极石墨棒不断被消 耗，同时在石墨阴极上沉 积出含有碳纳米管的产物。
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Single-wall carbon nanotube
主讲人：罗丽红 指导老师：叶晓萍
成员：罗丽红 张映娜 张丽玲 邹巧云 汪强 符朝钦 张崇荣
主讲内容
1 什么是纳米材料 纳米材料的特性 单壁碳纳米管的概述 制备方法 应用 前景 结语
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1.纳米材料
定义： 结构单元的尺寸在1纳米至100纳米范围之间的材料，其中 1nm=10-9m 纳米材料大致可分为四类：