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 nanotubes

Abstract： The structure and performance of carbon nanotubes are briefly introduced, and some synthesis methods, including graphite arc discharge method, catalytic cracking

method, 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，甚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。正是由于碳纳米材料具有这些奇异的特性，被发现的短短十几年

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。

碳纳米管又名巴基管，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，并且大多数由五边形截

面组成，端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构。是一种具有特殊结构（径向

尺寸为纳米量级、轴向尺寸为微米两级，管子两端基本上都封口）的一维纳米材料。

碳纳米管存在多壁碳纳米管(MWNTS)和单壁碳纳米管（SWNTS）两种形式。单层碳纳米管结构模型如图1所示。理想的多层碳纳米管可看成多个直径不等的单层管同轴套构而成，层数可以从二层到几十层，层与层之间保持固定距离约为0.34nm，直径一般为2~20nm.但实际制备的碳纳米管并不完全是直的或直径均匀的，而是局部

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区域出现凸凹弯曲现象，有时会出现各种形状如L、T、Y形管等。研究认为所有这

些形状的出现是由于碳六边形网络中引入五边形和七边形缺陷所致。五边形的引入引

起正弯曲，七边形的引入引起负弯曲。

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碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力

学、电学、和化学性能。

由于碳纳米管采取SP2杂化，S轨道成分比较大，使碳纳米管具有高模量、高强

度。

碳纳米管具有良好的力学性能，碳纳米管抗拉强度达到50~200Gpa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级；它的弹性模量可达1Tpa与金刚石的弹性模量相当，约为钢的五倍。碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强

度的材料。

另外，碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，碳纳米管的熔点是目前已知材料中最高的。

由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有良好的电学性能。理论预

测其导电性能取决于管径和管壁的螺旋角。当碳纳米管的管径大于6nm时，导电性能下降；当管径小于6nm时，碳纳米管可被看成具有良好导电性能的一维量子导线。

碳纳米管具有良好的传热性能，碳纳米管具有非常大的长径比，因而其沿着长度

方向的热交换性能很高，相对的垂直方向的热交换性能较低，通过合适取向，碳纳米

管可制成各向异性的热传导材料。另外，碳纳米管具有较高的导热率 3

【】1自从饭岛（lijima）首次在电弧放电法生产富勒烯的阴极沉淀物中发现多壁碳

纳米管以来，为了获得产量高、管径均匀、结构缺陷少、杂质含量低、成本相对低廉、

操作方便的制备方法，人们进行了很多研究并发现了多种制备碳纳米管的方法。 3.1

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石墨电弧法又称直流电弧法，是传统的生产富勒烯的方法，也是最早用于制备碳纳米

管的工艺方法。该方法是在真空反应室中充满一定压力的惰性气体或氢气，采用较粗

大的石墨棒为阴极，细石墨棒为阳极。在电弧放电过程中，两石墨电极间总保持1mm的间隙。阳极石墨棒不断被消耗，同时在阴极石墨棒上沉积有碳纳米管、富勒烯、石

墨颗粒、无定形碳和其他形式的碳微粒，而在电极室的器壁上沉积有由富勒烯、无定

形碳等碳微粒组成的烟灰。电弧法制备的一般都是多壁碳纳米管。这种方法简单快速，

而且制得的碳纳米管直、结晶度高。但该方法所产生的碳纳米管缺陷较多，究其原因

是电弧温度高达4000?左右，形成的碳纳米管与其它的副产物如无定形碳、纳米微

粒等杂志烧结于一体，对随后的分离提纯不利。。所以人们把一般阴极（大石墨电极）

改成一个可以冷却的铜电极，再在上面接石墨电极（图2），这样产物的形貌和结构大为改观，使电弧法再次焕发了青春。

图2 石墨电弧法制备碳纳米管装置图 3.2

含有碳源的气体（或蒸汽）流经金属催化剂表面时分解并生成碳纤维已被发现很

久，人们对其制备工艺已有比较成熟的理解。自从富勒烯碳学科产生后特别是碳纳米

【】2管的发现，人们认识到该工艺可用来制备碳纳米管。Joseyacaman等人最早采用2.5%铁/石墨颗粒作为催化剂，常压下700?时分解9%乙炔/氮气制得碳纳米管，此外分解其他气体如乙烯/氢气、苯蒸汽等也成功地获得了碳纳米管。常用的工艺设备如

图3。在催化裂解法制备碳纳米管工艺中，常用作催化剂的金属元素有Fe、Co、Li、

Cu等。制备工艺参数如下：

乙烯/氢气（1：1）流量：200—300ml/min

裂解温度600?—800? 裂解时间小于30min

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