碳纳米管的化学制备工艺.孔巍
乙炔制碳纳米管
乙炔制碳纳米管
一、乙炔制碳纳米管的基础知识
碳纳米管那可是超酷的材料呢。
乙炔制碳纳米管这个事儿啊，就是利用乙炔这种物质来制造碳纳米管啦。
乙炔是一种有两个碳原子和两个氢原子的化合物，它的化学性质挺活泼的。
碳纳米管呢，就像是超级微小的管子，但是它们的性能可不得了，强度特别高，导电性也很棒。
二、乙炔制碳纳米管的反应原理
简单来说，在特定的条件下，乙炔分子会发生一系列复杂的反应。
那些碳原子会重新排列组合，慢慢地就形成了碳纳米管的结构。
这个过程就像是小积木按照特定的方式搭建起来，变成一个超级酷的建筑一样。
这里面涉及到一些化学键的断裂和重新形成，化学的世界就是这么神奇。
三、乙炔制碳纳米管的实验方法
1. 首先得有合适的反应设备，就像一个特殊的小房子，能让乙炔在里面发生反应。
这个设备得能够控制温度、压力等条件。
2. 然后要准备高纯度的乙炔气体，杂质太多可不行，会干扰反应的。
3. 还要有催化剂，催化剂就像是一个小助手，能让反应更快更顺利地进行。
不同的催化剂可能会对碳纳米管的产量和质量有不同的影响呢。
四、乙炔制碳纳米管的应用前景
1. 在电子领域，因为碳纳米管导电性好，可以用来制造超小的电子元件，说不定以后我们的手机电脑都会因为它变得更小更强大。
2. 在材料领域，它的高强度可以用来增强其他材料，就像给普通材料穿上一层超级铠甲。
3. 在能源领域，也有可能会被用来储存能量之类的，这对我们未来的能源发展可太重要啦。
碳纳米管制备技术
图1
单壁碳纳米管结构模型
2.1．1 电弧法 单壁碳纳米管最初是在用石墨电弧法是制备富勒碳的过程中被发现的 。电 弧法的主要原理是在充有一定压力的惰性气体的真空反应室中， 采用面积较大的 石墨棒(直径为 20mm)作阴极， 填充有铁或钴作为催化剂的面积较小的石墨棒 (直 径为 10mm)为阳极。 在电弧放电过程中， 两石墨电极间通过反馈始终保持约 1mm
中科院沈阳金属研究所成会明老师小组开发了一
种有效制备单壁碳纳米管的半连续 氢电弧法，如图 3 所示，实现了高 纯度单壁碳纳米管的大批量制备。 同传统石墨电弧法相比，氢电弧方 法具有如下特点： a. 在大直径阳极圆盘中填充混合 均匀的反应物，可有效克服传统 石墨电弧法中反应产物数量有 限且均匀性差的缺点，利于单壁碳 纳米管的大批量制备; b. 阴极棒与阳极圆盘上表面成斜角，在电弧力的作用下可在反应室内形成一股 等离子流，及时将单壁碳纳米管产物携带出高温反应区，避免了产物烧结。 同时保持反应区内产物浓度较低，利于单壁碳纳米管的连续生长; 图3 氢电弧法设备图
碳纳米管制备技术与方法
摘要： 本文简单介绍了碳纳米管的各种制备技术和碳纳米管性质以及其应用、 前景等。制备方法主要有电弧法、激光蒸发法和化学气相沉积法。 关键词: 碳纳米管、CVD、电弧法、激光蒸发法
1.引言
碳纳米管是一种新型的一维碳纳米材料。1991 年 1 月日本筑波 NEC 实验室 Iijima 首次用高分辨电镜从电弧法生产的碳纤维观察到碳纳米管，这些碳纳米管 为多层同轴管，分为单壁纳米管(SWCNT)和多壁纳米管（MWCNT） ，也称巴基管 （Bucky tube） 。2000 年 10 月美国宾州大学研究人员在 Science 上发表文章称碳 纳米管的质量是相同体积的钢 1/6，却具有超过钢 100 倍的强度。碳纳米管具有 优异的导电导热性能，也用于纳米电子仪器的导线，电池里的储电装置，燃料电 池的储氢材料；它是世界上拉伸强度最高的材料，质轻、易弯曲，可用于航空、 航天飞行器的超轻超强结构材料，节省能耗。碳纳米管作为一种新型纳米材料在 许多领域有着终要的应用背景。是 21 世纪最有前途的纳米材料之一。诺贝尔化 学奖得主斯莫利教授认为碳纳米管将是未来最佳纤维的首选材料， 也将被广泛用 于超微导线、超微开关、以及纳米级电子线路等。所以研究纳米材料的制备技术 是具有重要意义的。 2. 纳米材料的制备方法 碳纳米管目前的生长模型有点焊模型、催化器生长模型。主要制备工艺有电 弧法、激光蒸发法、和化学气相沉积法。其中前两种方法虽制备的单壁碳纳米管 纯度和晶化程度较高，但存在产量少，不易实现工业化生产的缺点；而 CVD 法 以其设备简单，成本低，反应过程容易控制，产量高等优点成为目前制备碳纳米 管的主流。除此之外还有粒子束辐射法、热解聚合物法等等。 2.1 单壁碳纳米管的制备 单壁碳纳米管的管壁仅仅由一层石墨片组成， 直径主要分布在 0.4~3nm 之间。 常 用的制备方法有电弧法、激光蒸发法、和化学气相沉积法。由于单壁碳纳米管的 半径较小，石墨层片卷曲的曲率大，其生长条件比多壁碳纳米管更加苛刻。
碳纳米管的制备和表征研究
碳纳米管的制备和表征研究碳纳米管是一种非常重要的纳米材料，由于其具有优异的物理和化学性质，能够广泛应用于电子、化学、生物和医学等领域，成为了当今最热门的研究课题之一。
本文将介绍碳纳米管的制备和表征研究，旨在尽可能全面深入地介绍它的相关研究进展。
一、碳纳米管的制备方法碳纳米管的制备方法主要有以下几种：1. 等离子体增强化学气相沉积法该方法先用金属作为催化剂，在氧化镁或氧化铝的载体上制备成催化剂阵列，通过引入碳源和氢气，使用等离子体的方式来生成碳纳米管。
2. 化学气相沉积法该方法将催化剂和碳源同时放置在反应器内，不用外加能量，通过化学反应来制备碳纳米管。
3. 化学还原-热解法该方法先用催化剂将氧化石墨烯还原为石墨烯，然后利用热解技术进行碳化反应，制备碳纳米管。
以上三种方法是主流的制备碳纳米管的方法，但随着研究的深入，其它方法，如水热合成法、溶液-液相界面法等也逐渐被应用于制备碳纳米管。
二、碳纳米管表征技术为了对制备的碳纳米管进行表征和刻画，研究人员开发出了各种表征技术来研究其结构和性质，下面我们来介绍一些常用的表征技术：1. 透射电子显微镜(TEM)透射电子显微镜是最常用的碳纳米管表征技术之一，通过它可以直观的获得碳纳米管的观察图像。
2. 扫描电子显微镜(SEM)与TEM不同，扫描电子显微镜可以观察到碳纳米管的表面形貌，并能够获得表面形貌的三维结构图像。
3. 拉曼光谱(Raman)拉曼光谱具有非常高的灵敏性和分辨率，能够通过对碳纳米管的拉曼光谱图像进行功率谱分析，可以获得碳纳米管的结构、相互作用和物理特性等信息。
4. X射线粉末衍射(XRD)利用X射线的衍射实验，可以得到碳纳米管的晶格结构，晶格常数以及结晶度等信息。
5. 热重分析(TGA)热重分析可以帮助我们展现出材料在温度变化下的失重信息，从而推断出碳纳米管的热稳定性和热分解温度等相关信息。
以上技术对于制备和表征碳纳米管都有非常大的帮助，不同的表征方法可以从不同角度来对碳纳米管进行综合分析，有助于我们更好地了解碳纳米管的结构和性质。
螺旋碳纳米管的制备_表征及性能
螺旋碳纳米管的制备、表征及性能张洋,范猛,文剑锋,汤怒江,钟伟,都有为(南京大学南京微结构国家实验室,南京210093)摘要:采用溶胶-凝胶结合氢气还原方法制备了Ni纳米颗粒,并用这种Ni纳米颗粒作为催化剂,通过催化裂解乙炔的方法在425e制备了螺旋度较高且呈对称生长的螺旋碳纳米管。
结果表明,本方法简单、成本低、环境友好,可大量制备高纯度螺旋碳纳米管。
场发射扫描电镜(FE-SEM)及高分辨透射电镜(H R-TEM)图片表明,通常情况下两根旋向相反的螺旋碳纳米管生长在一个催化剂颗粒上,且这种纳米螺旋呈空心管状。
X射线衍射及拉曼光谱分析表明,所得样品成分为有缺陷的石墨结构和镍多晶,未发现其他杂相。
此外,对样品的磁性及微波吸收性能进行了研究。
关键词:螺旋碳纳米管;催化生长;磁性;微波吸收特性;溶胶-凝胶;Ni纳米颗粒中图分类号:TB383文献标识码:A文章编号:1671-4776(2011)08-0494-05Synthesis,Characterization and Performance ofHelical Carbon NanotubesZhang Yang,Fan Meng,W en Jianfeng,Tang N ujiang,Zhong Wei,Du Youw ei(N anj ing N ational L abor ato ry of M icr ostr uctur es,N anj ing Univer sity,N anj ing210093,China)Abstract:The Ni nano-particles w ere generated by means of a so-l g el combined hydrogen r educ-tion m ethod.T he helical carbon nanotubes(H CNTs)w ith hig h helicity and sym metr ic structure w ere synthesized in acety lene pyroly sis at425e using the Ni nano-par ticles as the catalyst.The results show that this method is simple and environmentally friendly w ith low-cost,and is an ideal candidate fo r the mass pr oduction of H CNT s w ith hig h purity.The field-emission scanning elec-tro n micr oscope(FE-SEM)and high-resolution transm ission electron microscope(H R-TEM) im ages show that there are often tw o nanotubes w ith the ho llow tubular structure and opposite rotating directions in one cataly st nanopar ticle.The XRD and Raman results reveal that the com-posites of the as-prepared sample are gr aphite w ith defect and po lycrystalline N i w ithout im purity phase.M oreover,the m ag netism and m icrow ave absorptio n proper ties o f the as-prepared sam ple w ere investigated.Key words:helical carbon nanotube;catalytic gro w th;magnetic pro perty;micro w av e abso rption pro perty;so-l g el;Ni nano particleDOI:10.3969/j.issn.1671-4776.2011.08.003PACC:6148收稿日期:2011-04-11基金项目:国家自然科学基金资助项目(51072079)E-mail:tan gnujiang@0引言具有全新微结构的碳材料(例如螺旋碳纳米管和石墨烯等)与传统结构的碳材料相比,具有全新的物理性能,也是近年来物理学家关注的热点。
单壁及多壁碳纳米管的制备
材料化学作业单壁及多壁碳纳米管的制备目前常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、化学气相沉积法（碳氢气体热解法），热解聚合物法、气体燃烧法和激光蒸汽法等以及聚合反应合成法。
电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。
1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电法生产的碳纤维中首次发现碳纳米管的。
电弧放电法的具体过程是：将石墨电极置于充满氦气或氩气的反应容器中，在两极之间激发出电弧，此时温度可以达到4000度左右。
在这种条件下，石墨会蒸发，生成的产物有富勒烯（C60）、无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管。
通过控制催化剂和容器中的氢气含量，可以调节几种产物的相对产量。
使用这一方法制备碳纳米管技术上比较简单，但是生成的碳纳米管与C60等产物混杂在一起，很难得到纯度较高的碳纳米管，并且得到的往往都是多层碳纳米管，而实际研究中人们往往需要的是单层的碳纳米管。
此外该方法反应消耗能量太大。
传统的电弧法以氦作为保护介质，中国科学院沈阳金属研究所成会明研究小组开发了一种有效制备单壁碳纳米管的半连续氢电弧法，他们通过此方法实现了高纯度单壁碳纳米管的大批量制备。
同传统石墨电弧法相比，氢电弧法的改进包括：用氢气取代氦气作为缓冲气体，有效的提高了产品的纯度；添加某种含硫生长促进剂，使产量大大提高。
氢电弧方法具有以下特点：1）在大直径阳极圆盘中填充混合均匀的反应物，可有效克服传统电弧法中反应数量有限且均匀性差的特点，利于单壁碳纳米管的大批量制备。
2）阴极棒与阳极圆盘上表面成斜角，在电弧力的作用下可在反应室内形成一股等离子流，及时将单壁碳纳米管产物携带出高温反应区，避免了产物烧结。
同时保持反应区内产物浓度较低，利于单壁碳纳米管的连续生长。
3）阴极与阳极的位置均可调整，当部分原料反应完毕后可通过调整电极位置，利用其他区域的原料继续单壁碳纳米管的合成。
化学气相沉积法又称碳氢气体热解法，他在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷，这种方法是让气态烃通过附着有催化剂微粒的模板，在600-1200度和有保护气体作用的条件下，使气态烃分解并在一定载体上生成CNTS，同时温度亦不需要很高，相对而言节省了能量，但是必须用到催化剂，目前此方法的主要研究方向是希望通过控制模板上催化剂的排列方式来控制生成的CNTS的结构，已经取得了一定进展。
碳纳米管的制备方法
碳纳米管的制备方法摘要：本文简单介绍了碳纳米管的结构性能，主要介绍碳纳米管的制备方法，包括石墨电弧法、催化裂解法，激光蒸发法等方法，也对各种制备方法的优缺点进行了阐述。
关键词：碳纳米管制备方法Preparation of carbon nanotubesAbstract： The structure and performance of carbon nanotubes are briefly introduced, and some synthesis methods, including graphite arc discharge method, catalytic crackingmethod, laser evaporation method and so on, are reviewed・ And the advantages and disadvantages of various preparation methods are also described・Key words： carbon nanotubes methods of preparation纳米材料被誉为是21世纪最重要材料，是构成未来智能社会的四大支柱之一，而碳纳米管是纳米材料中最富有代表性，并且是性能最优异的材料。
碳纳米管是碳的一种同素异形体，它包涵了大多数物质的性质，其至是两种相对立的性质，如从高硬度到高韧性，从全吸光到全透光、从绝热到良导热、绝缘体/半导体/高导体和高临界温度的超导体等。
正是山于碳纳米材料具有这些奇异的特性，被发现的短短十儿年来，已经广泛影响了物理、化学、材料等众多科学领域并显示出巨大的潜在应用前景。
碳纳米管乂名巴基管，即管状的纳米级石墨晶体。
它具有典型的层状中空结构，构成碳纳米管的层片之间存在一定夹角，管身是准圆筒结构，并且大多数山五边形截面组成，端帽部分山含五边形的碳环组成的多边形结构。
碳纳米管合成方式
碳纳米管合成方式碳纳米管是由碳原子构成的管状结构物质，具有很好的导电性和强度，因此在材料科学中具有广泛的应用前景。
目前，碳纳米管的合成方式主要包括化学气相沉积法、化学气液固相合成法、乙炔气热裂解法、电弧法、激光还原法等多种方法。
其中，化学气相沉积法是一种较为常用的方法。
该方法主要是在高温、高压条件下，将碳源及其它材料分解，生成单壁或多壁碳纳米管。
具体步骤为：首先将碳源（如乙烯、甲烷等）通过气体供应系统引入反应室，然后在高温下通过化学反应将碳源分解成碳原子，再通过催化剂（如Fe、Co、Ni等）的作用，使碳原子有序排列并形成碳纳米管结构。
最后通过加热、冷却等步骤使得反应产物得到收集和分离，得到所需的单壁或多壁碳纳米管。
化学气液固相合成法是另外一种常用的合成方法，该方法使用化学气相沉积法中的反应物及其它化学试剂作为前体，在液相或固相氧化剂的作用下生成单壁或多壁碳纳米管。
具体步骤为：将碳源与存在某种表面活性剂中的前体分散在水或其它溶液中，制成粘稠的混合物。
然后将混合物注入到反应釜中，在加热的同时不断搅拌，使前体分解并生成碳纳米管。
最后通过过滤、洗涤和干燥等步骤，得到所需的单壁或多壁碳纳米管。
此外，乙炔气热裂解法、电弧法、激光还原法等也都是常用的合成碳纳米管的方法。
这些方法各有优缺点，如乙炔气热裂解法所制备的碳纳米管质量较高，但生产成本也较高；电弧法所得碳纳米管数量多、结晶度高，但也存在生产成本高等问题等。
总之，无论是哪种方法，合成碳纳米管需要考虑许多因素，如反应时间、压力、温度、前体物质的纯度、催化剂的选用等等。
在这些因素的综合作用下，制备出来的碳纳米管可以用于制备多种高性能材料，而且其应用前景十分广阔。
碳纳米管材料制备与表征
碳纳米管材料制备与表征碳纳米管是一种极其有用的纳米材料，因其良好的导电、导热性能和高强度而受到广泛关注。
越来越多的研究者开始研究碳纳米管的制备和表征方法，以期望在未来的科技中能够得到更广泛的应用。
本文将会介绍碳纳米管材料的制备方法和表征技术，并探究这些技术的优劣之处。
第一部分：制备碳纳米管制备碳纳米管的方法有很多种，但是根据所用的原材料和制备条件的不同，所得到的产品性质也会有所差异。
本文将介绍两种制备碳纳米管的方法：化学气相沉积（CVD）和电弧放电法（Arc discharge）。
CVD制备碳纳米管的过程通常需要一种碳源、载气和催化剂。
常用的碳源有乙烯、甲烷等化合物，载气通常是氢气或氮气。
催化剂通常选用镍、铁等过渡金属。
该方法的优点是能够获得较高纯度的碳纳米管。
但是，CVD制备的碳纳米管结构多为多壁碳纳米管，相对较宽而且分布不均。
Arc discharge法主要是对石墨电极进行电弧放电制备，产物中含有许多单层和少层碳纳米管。
Arc法优点是生产量大，得到的碳纳米管单层或少层。
缺点是碳纳米管的分布不均匀，可能会产生大量杂质。
以上两种方法分别有优缺点，因此选择制备碳纳米管的方法需要根据具体应用场景进行选择。
第二部分：表征碳纳米管表征是在材料制备之后的一个重要步骤，能够从各个方面描述材料的结构、性质和应用性能。
下面将介绍常见的几种碳纳米管表征技术。
拉曼光谱分析：碳纳米管分子结构的标志性特征是其形成独特的各向异性。
由于其脆弱的微观结构，拉曼光谱分析适合表征碳纳米管的各向异性特性。
其中，以 2D 模式为中心的 G 峰代表了颗粒几何中的 C=C 化学键振动，D 峰代表了结构上的缺陷。
相比于传统红外光谱分析， Raman 能够清晰地展示很多细节影响和区分稀薄的样本。
扫描隧道显微镜（STM）：碳纳米管的表面形貌可以通过扫描隧道显微镜的扫描图像得到。
在STM中，针尖会在样品表面扫描，生成反应电流。
这种电流的大小和形态取决于样品表面形貌。
碳纳米管的制备与纯化ppt课件
.
一般说来，碳源的选择不影响产物的性质，但是 对碳纳米管的成长速率有一定的影响。不同的碳 源，分解温度不同，因而热传导率也不同。另外， 在反应中加入一些生长促进剂(如硫、磷、唾吩等) 可以加速碳源的分解，有利于生成纳米管。 此外，载体法中随着碳源的分解，碳的浓度和压 强在载体孔隙中逐渐增大，达到一定浓度时，便开 始在催化剂颗粒上沉积成核，开始碳纳米管的生 长。所以与其它方法相比，载体催化热解法能充分 利用载体孔隙增大积碳压强而降低合成温度。
场对碳管的开口生长起稳定作用并诱导碳纳
米管生长。而Zhang等认为，电弧条件下的 CNTs生长是阴极上的场发射结构与等离子体
相互作用的结果。Satio等认为电场的静电引 力是碳纳米管生长的原因，在电场力作用
下，液态的小微粒呈椭圆形，并沿着电场作 .
用方向生长。
➲ 电弧法制备碳纳米管的生长机理 在观察电弧法制备的纳米管结构时发现，很 难用闭口模型生长机理来解释其结构的形成， 例如：闭口生长模型不可能解释为什么在多壁 的生长过程中内层的长度和外层的不同。另 外，在如此高温下，碳管沿径向和轴向同时生 长，所有的同轴碳管将瞬间形成，表明这种生 长更倾向于开口生长。
超声震荡2h后，在N2(压力200kPa)中磁力搅 拌下微孔过滤，大部分的金属纳米粒子和碳纳 米球都进人滤液而被除去，最后所得SWNTs 的纯度>90%。与此同时，Shelimov等发现 结合超声振荡技术和微量过滤方法，可将由激 光蒸发法制备出的SWNTs从含有无定形碳、 石墨多面体和金属催化剂微粒等杂质的产物中 有效地分离出来。在过滤过程中，超声技术的 引人可以防止过滤器受到污染，同时还可以保 持一个充分分散的碳纳米管与纳米颗粒共存的 悬浮液环境。由于起始原料的不同，这种方法 可以得到产率为30%~70%、纯度>90%的单 壁碳纳米管，由于超声. 展荡的切割作用，纯化
碳纳米管造孔工艺流程
碳纳米管造孔工艺流程1.首先，将碳纳米管悬浮在溶剂中。
Firstly, suspend carbon nanotubes in a solvent.2.然后，将表面活性剂加入溶液中。
Next, add surfactants to the solution.3.接着，将溶液超声化处理。
Then, sonicate the solution.4.紧接着，使用特定的模板进行造孔。
Subsequently, use a specific template for pore formation.5.接下来，进行干燥处理。
Then, conduct drying treatment.6.再者，使用氧等离子体进行清洗。
Moreover, clean with oxygen plasma.7.随后，移除模板。
Afterward, remove the template.8.接着，进行后续的表面修饰。
Next, proceed with subsequent surface modification.9.然后，对碳纳米管进行表征分析。
Then, characterize the carbon nanotubes.10.紧接着，进行孔径和形貌的分析。
Subsequently, analyze the pore size and morphology.11.接下来，评估造孔效果。
Then, evaluate the pore formation effect.12.再者，进行性能测试。
Moreover, conduct performance tests.13.随后，对结果进行总结和讨论。
Afterward, summarize and discuss the results.14.接着，撰写相关的研究论文。
Next, write relevant research papers.15.然后，提交论文至期刊。
Then, submit the paper to a journal.16.紧接着，等待审稿结果。
碳纳米管的制备
社会与环境
碳纳米管实用化尺度涉及的环境和生态方面的考虑, 以及碳纳米管的包装、运输、应用、标准化和商品 化: 随着碳纳米管的批量制备的增加和应用越来越 广, 普通公众也会越来越多地接触碳纳米管及其衍生 产品。这些产品不仅在性能上产生了社会与经济效 益, 同时也可能对人体健康和生物圈的安全性带来影 响
碳纳米管的制备
报告人
1
精选2021版课件
碳纳米管制备的发展历程
1991年电弧放电法首次得到了碳纳米管
1996年激光蒸发法
化学气相沉积法
水热法、凝聚相电解生成法等
2
精选2021版课件
碳纳米管的制备
微观尺度
微观尺度上, 碳纳米管的生长是碳原子 自组装成一维管状结构的过程, 即碳原 子形成六元环或五七元环卷曲形成具有 特定螺旋角的过程
12
精选2021版课件
碳纳米管合成的工程原理
团聚结构控制
介观尺度上的碳纳米管团聚: 高长径比的纳米材料 生长若不形成特定的结构相互作用, 则会存在其一维 结构的失稳现象。高密度进行生长时, 在范德华力等 相互作用下, 碳纳米管开始聚集形成聚团状碳纳米管 、定向垂直碳纳米管和水平生长的超长碳纳米管等 。碳纳米管的聚集结构是其原子结构与批量制备的 桥梁。
10
精选2021版课件
碳纳米管合成的工程原理反应器与过程
传递与反应
团聚结构控制
化学
反应
工程
催化剂设计
聚合 调节
碳管 组装
过程 社会与环境
开发
11
精选2021版课件
碳纳米管合成的工程原理
催化剂设计
原子尺度上的碳纳米管生长: 包括碳纳米管生长条 件和生长机理、催化剂设计以及单根碳纳米管的可 控制备. 许多碳纳米管产品的特性,如管壁数、管径 、长度、缺陷、手性和石墨化程度等，均取决于这 个尺度上的物理化学基础控制.
碳纳米管的化学制备工艺.孔巍
ａ顶部生长机理
b顶部生长机理
7
3.CVD制备碳纳米管
3.2CVD制备碳纳米管的生长机理 c.碳帽机理：通过在原来的碳帽下面形成新的碳帽，然后由碳帽长 出新的圆筒管，原来的碳帽则被提升并且其开口端仍吸附在催化剂微 粒上。最初的表面层可能沿着微粒继续生长，这会覆盖整个催化剂微 粒使其失去催化活性，于是碳纳米管停止生长。 d.气—液—固生长机理（VLS机理）：在800℃~1000℃的高温下 呈液态的催化剂微粒是反应的活性点，它吸收气体中的碳原子簇直至 过饱和状态，过饱和的碳原子簇沉析出来形成碳纳米管。液体微粒起 着传输碳纳米管生长原料——碳原子簇的作用。
c.电子材料和器件
d.贮能、贮气材料
11
参考文献
1 夏晓红,罗永松,梁英,贾志杰.水热法制备棒状纳米氧化铁 及其在碳纳米管制备中的应用.功能材料与器件学报.Dec., 2006,
Vol· 12,No· 506--508 6
2 侯珂珂,崔平.氢气流量和反应时间对焦化苯裂解制备碳纳 米管的影响.高科技纤维与应用.Aug.2007, Vol.32 No.4 14--18 3 李晓川.一维纳米碳材料的无金属催化CVD法制备与生长 机理研究.中国优秀硕士学位论文全文数据库.2009-10-21 4 马志敏 刘吉平等.碳纳米管制备工艺对其产量和形貌的 影响.化工新型材料.No· 10Vol· 113--114 37 5 耿晓菊,王蜀霞,冯明海.催化剂在碳纳米管制备中的影响. 材料导报.2006年7月第七期第20卷 112--114
催化剂的种类、载体、反应温度等因素对所生成的碳纳米管的数 量、质量、形貌、结构具有影响。2006年，Maksimova[1]等采用模板 CVD方法，在多孔氧化铝模板的孔道内生成碳纳米管，得到了阵列碳 纳米管。在该方法中，碳纳米管的生长主要受模板孔径、形状的控制。 虽然多孔氧化铝模板对碳管的生长具有催化作用，但是制备的碳纳米 管中并不含有催化剂颗粒，避免了催化剂颗粒对纳米管性能的影响。 由
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
ａ顶部生长机理
b顶部生长机理
7
3.CVD制备碳纳米管
3.2CVD制备碳纳米管的生长机理 c.碳帽机理：通过在原来的碳帽下面形成新的碳帽，然后由碳帽长 出新的圆筒管，原来的碳帽则被提升并且其开口端仍吸附在催化剂微 粒上。最初的表面层可能沿着微粒继续生长，这会覆盖整个催化剂微 粒使其失去催化活性，于是碳纳米管停止生长。 d.气—液—固生长机理（VLS机理）：在800℃~1000℃的高温下 呈液态的催化剂微粒是反应的活性点，它吸收气体中的碳原子簇直至 过饱和状态，过饱和的碳原子簇沉析出来形成碳纳米管。液体微粒起 着传输碳纳米管生长原料——碳原子簇的作用。
9
3.CVD制备碳纳米管
3.3CVD制备碳纳米管中的影响因素 b.氢气作为载气对产物的影响：侯珂珂[2]等利用以工业级焦化苯为 碳源，以二茂铁为催化剂前躯体研究了氢气在反应中的作用与影响。 结构表明：当氢气流量为380 mi/min时，产率较高，随着氢气流量的增 大，产品产量虽然增多，但纯化后的产率却不是逐渐增大，原因在于 氢气流量较大时，在反应区的碳源浓度也较大，而被还原出的纳米级 铁颗粒由于迅速聚集成较大的铁颗粒或被带出反应区致使浓度相对较 小，所以使生成的碳纳米管结构缺陷多，且表面沉积的无定形碳、石 墨碎片等杂质也较多，所以纯化时被氧化，导致产率下降。 另外有研究表明,采用氢气作载气制备的碳纳米管与采用氮气作载 气制备的碳纳米纤维的外部形貌特征的差异不大，仅表面平整度不同。 但是，产物的内部结构存在较大的变化，采用氮气作为载气获得的是 晶格条纹与管轴方向平行的同轴管式结构，壁厚均匀，而采用氢气作 为载气所获得的产物为晶格条纹与纤维轴方向呈一定夹角的鱼骨状结 构，且管壁厚度不均匀。
3
2.碳纳米管的制备工艺
2.1物理方法 电弧法（最早应用于制备碳纳米管的方法）：在设备的真空反应室内充 入一定压强的惰性气体(如氦气、氢气、氮气等)，采用面积较大的石墨棒作 阴极，面积较小的石墨棒为阳极。两石墨电极之间保持一定的间隙。在电弧 放电的过程中，反应的温度可以达到3000℃~4000℃，阳极石墨棒不断被消 耗，最后在阴极上沉积出碳纳米管、富勒烯、石墨微粒、无定形碳和其他形 式的碳微粒，同时在电极室的壁上沉积出含有富勒烯、无定形碳等碳微粒组 成的烟灰。该法合成碳纳米管长度可以达到数十微米，直径5～30纳米，制 备的多壁碳纳米管具有很高的结晶度。 激光蒸发：在温度达1200℃的高温炉炉腔内，利用脉冲或连续的激光使 催化剂与石墨粉末高压压制而成的石墨靶材气化(两种激光的不同在于脉冲 激光的强度(100KW/cm2)要远大于连续激光的强度(10KW/cm2))，高温的含碳 气流冷却过程中，形成碳纳米管 射频等离子体蒸发：射频等离子火焰使石墨棒达到并保持很高的温度， 石墨棒表面的碳被蒸发，并持续、稳定地产生气态碳原子，碳原子相互作用 重新结合形成碳纳米管。
c.电子材料和器件
d.贮能、贮气材料
11
参考文献
1 夏晓红,罗永松,梁英,贾志杰.水热法制备棒状纳米氧化铁 及其在碳纳米管制备中的应用.功能材料与器件学报.Dec., 2006,
Vol· 12,No· 506--508 6
2 侯珂珂,崔平.氢气流量和反应时间对焦化苯裂解制备碳纳 米管的影响.高科技纤维与应用.Aug.2007, Vol.32 No.4 14--18 3 李晓川.一维纳米碳材料的无金属催化CVD法制备与生长 机理研究.中国优秀硕士学位论文全文数据库.2009-10-21 4 马志敏 刘吉平等.碳纳米管制备工艺对其产量和形貌的 影响.化工新型材料.No· 10Vol· 113--114 37 5 耿晓菊,王蜀霞,冯明海.催化剂在碳纳米管制备中的影响. 材料导报.2006年7月第七期第20卷 112--114
5
3.CVD制备碳纳米管
3.1CVD制备碳纳米管的方法
使含碳气体(如乙烯、乙炔、CO、甲烷、丙烯等有机气体)在一定 温度下，在过渡金属铁、钴或镍等催化剂作用下进行催化分解，或者 直接热分解含铁、钴或镍的碳化合物，如二茂铁以及羰基化合物等， 来制备碳纳米管的方法。反应温度一般为600℃~1000℃，工艺
目录
碳纳米管简介 目前碳纳米管的制备工艺 CVD法制备碳纳米管 碳纳米管的广泛应用
2
1.碳纳米管简介
碳纳米管是由类似石墨的六边形碳原子网络围成的一维纳米管状 物。它可根据管壁所含的石墨层数分为两类，即单壁碳纳米管 （Single-walled cabon nanotube）和多壁碳纳米管（Muiti-walled cabon nanotube） 碳纳米管的性能： a.优秀的力学性能：轴向弹性模量1.0TPa；强度模量37GPa； 杨氏模量1.3TPa； b.电学性能：结构稳定，杂质原子难于置换，则电子传输不受 杂质原子的散射，进行弹道输运； c.导热性能：室温下导热系数6600W/m▪K，是金刚石和石墨表 面导热系数的三倍多；
4
2.碳纳米管的制备工艺
2.2化学方法 激光辅助热解法：在1650℃下对β-SiC进行烧结，并将烧结产物减 薄做成薄片放入透射电镜中；然后，利用安装于电镜中的激光器在几 分钟内将碳化硅薄片加热到1700℃，使碳化硅表面分子发生热分解。 碳化硅与电镜内残余的氧气反应生成一氧化硅和固态碳，一氧化硅被 蒸发掉，而固态碳则转换成碳纳米管和非晶碳，在薄片表面生成一层 碳纳米管薄膜。 热处理法：在超高真空环境(P<10-9Torr)下将6H-SiC晶片加热到 1350℃以上进行热处理即可得到碳纳米管。当热处理的温度为1650℃ 时，制备的碳管中含有T型，Y型以及网状结构的单壁碳纳米管。 对流式火焰法：燃烧炉顶部和底部均有进气管道，燃气流（碳源） 自顶部向下，氧化气流(氧气和氮气)自底部向上，两股气流在交汇处形 成气流滞留带，并形成稳定的扩散焰。当氧气含量大于50%时，可以 获得直径几十纳米，长几十至几百纳米的多壁碳纳米管。 CVD合成碳纳米管：目前最主要的合成碳纳米管的方法。
8
3.CVD制备碳纳米管
3.3CVD制备碳纳米管中的影响因素
a.催化剂影响：碳在催化剂中的溶解度决定了催化剂的催化性能, 溶解度越大,催化性能越强。
对于金属单质催化剂，有研究表明:在碳形核阶段,金属的催化活性 大小依次为Mo、Cr、Co、Pt、Fe、Ni、Cu;在碳管的生长阶段,催化剂 活性大小依次为Fe、Ni、Mo、Co、Pt、Cr、Cu。对于碳纳米管的生 长速率,多金属的组合比单金属作催化剂效果好得多。 对于化合物催化剂来说使其均匀分布于载体基片上是影响碳纳米 管的生长的重要因素。众多的实验均表明氧化物的催化活性比同种金 属单质的要强。无基底催化裂解法多采用化合物作催化剂。 夏晓红[1]等研究了用水热法制备的纳米氧化铁为催化剂用于碳纳米 管的制备，得到了较好的效果。
6
3.CVD制备碳纳米管
3.2CVD制备碳纳米管的生长机理
a.顶部生长机理：在碳纳米管顶部，催化剂微粒
没有被碳覆盖的部分，吸附并催化裂解碳氢分子而产 生碳原子，碳原子在催化剂表面扩散或穿过催化剂进 入碳纳米管与催化剂接触的开口处，实现碳纳米管生 长。在碳纳米管生长过程中，催化剂始终在碳纳米管 的顶端，随着碳纳米管的生长而迁移(图a) b. 底部生长机理：碳原子从碳管的底部扩散进入 石墨层网络，挤压而形成碳纳米管，底部生长机理最 主要的特征是：碳管一端与催化剂微粒相连，另一端 是不含有金属微粒的封闭端(图b)。
催化剂的种类、载体、反应温度等因素对所生成的碳纳米管的数 量、质量、形貌、结构具有影响。2006年，Maksimova[1]等采用模板 CVD方法，在多孔氧化铝模板的孔道内生成碳纳米管，得到了阵列碳 纳米管。在该方法中，碳纳米管的生长主要受模板孔径、形状的控制。 虽然多孔氧化铝模板对碳管的生长具有催化作用，但是制备的碳纳米 管中并不含有催化剂颗粒，避免了催化剂颗粒对纳米管性能的影响。 由
10
4.碳纳米管的广泛应用
碳纳米管具有较大的长径比，可把其看成准一维纳米材料。因为 性能奇特，被称为纳米材料中的“乌金”。碳纳米管导电性极强，场 发射性能优良，兼具金属性和半导体性，韧性很好，强度比钢高100倍， 密度只有钢的1/6，被科学家称为未来的“超级纤维”，已成为国际研 究热点。正是由于碳纳米管自身的独特优异的性能，决定了它在高新 技术诸领域有着诱人的应用前景。 a.制作纳米器件 b.制造纳米材料的模板