碳纳米管合成及其应用1

碳纳米管的生产方法
1、电弧放电法 基本原理：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 米有 管富 。勒通烯过（控制C60催）化、剂无和定容型器碳中和的单氢壁气或含多量壁，的可碳以纳调 节几种产物的相对产量。 优点：使用这一方法制备碳纳米管技术上比较简单 缺 很点 难： 得1到.纯生度成较的高碳的纳碳米纳管米与管C60，等并产且物得混到杂的在往一往起都，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。2.该方法反应消耗能量太大。
1993年单壁碳纳米管也被发现（Single-Walled Carbon Nanotubes ，SWNTs），直径从0.4nm 到3-4nm，长度可达几微米。
碳纳米管的结构
1、按形态分：
普通封口型 变径型 洋葱型
海胆型
竹节型
念珠型
纺锤型
螺旋型 其他异型
2、碳纳米管依其手性可 以分为两种类型：扶手 椅式纳米管，锯齿形纳 米管。
碳纳米管合成及其应用
主要内容:
1、碳纳米管的背景介绍 2、碳纳米管的发现 3、碳纳米管结构 4、碳纳米管的独特性能 5、碳纳米管的制备 6、应用前景
碳纳米管的背景介绍
“贵比黄金，细赛人发”的碳纳米管 (carbon nanotube 简写为CNT)是由石 墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼 状“纤维” 。管身由六边形碳环微结 构单元组成 ，端帽部分由含五边形碳 环组成的多边形结构 ，是一种纳米级 的一维量子材料。由于它们的直径基本 都在纳米尺度，所以称其为纳米碳管。
金刚石，C60，石墨，（10，10）型纳米碳管
碳纳米管的发现
1991年，日本NEC公司基础研究实验室的电子 显微镜专家Iijima发现了多壁碳纳米管 （MultiWalled Carbon Nanotubes ，MWNTs）， 直径为4-30nm，长度为1um。，最初称之为 “Graphite tubular”。
电弧放电法
理想的工艺条件： 氦气为载气 气压 60—50Pa 电流60A～100A 电压19V～25 V 电极间距1 mm～4mm 产率50％ Iijima等生产出了半径约1 nm的 单层碳管
电弧法是制备单层碳纳米管最常用的办法之一。
制备纳米碳管的其它方法：
• 等离子体喷射沉积法 • 凝聚相电解生成法 • 化学气相沉积法 • 激光蒸发法 • 有机物催化热解法
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2、导电性能 碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨的
片层结构相同，所以具有很好的电学性能。理论预测其导电性能取 决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTs的管径大于6nm时，导电性能 下降；当管径小于6nm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一 维量子导线。有报道说Huang通过计算认为直径为0.7nm的碳纳米管 具有超导性，尽管其超导转变温度只有1.5×10-4K，但是预示着碳 纳米管在超导领域的应用前景。 3、传热性能
2、锂离子电池
麻省理工大科学家发现，在电池一端电 极使用含碳纳米管可以比现在的锂电池 蓄存更多的电力 。这种电池在充电效 率及蓄电能力远比目前最高端的锂电池 更优良。科新研发的含碳纳米管电池进 行1000次充放电实验。结果在经历1000 次充放电后，含碳纳米管电池内的物质 属性变化极微，电池蓄电力丝毫未见减 少。
3、 电磁干扰屏蔽材料及隐形材料
碳纳米管是一种有前途的理想微波吸收剂,可用于隐形材 料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。
碳纳米管对红外和电磁波有隐身作用的主要原因有两点：
一方面由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长,因此纳 米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多,这就大 大减少波的反射率,使得红外探测器和雷达接收到的反射信 号变得很微弱,从而达到隐身的作用;另一方面,纳米微粒材 料的比表面积比常规粗粉大3～4个数量级,对红外光和电磁 波的吸收率也比常规材料大得多,这就使得红外探测器及雷 达得到的反射信号强度大大降低,因此很难发现被探测目标, 起到了隐身作用。由于发射到该材料表面的电磁波被吸收, 不产生反射,因此而达到隐形效果。
单壁碳纳米管 直径为1-6 nm
多壁碳纳米管 直径nm →μm
纳米管结构的表征
扫描隧道显微镜 X射线衍射 孔结构及比表面积 电子衍射 拉曼光谱
碳纳米管的 原始状态： 团聚状态， 束状
有机DMF（N， N-二甲基甲 酰胺）中超 声分散后碳 纳米管的SEM （左）与TEM
（右）
碳纳米管的性能
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。近些年随着碳纳米 管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出 来。 1、力学性能 碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以 拉伸。 美国宾州州立大学的研究人员称，碳纳米管的强度比同体积 钢的强度高100倍，重量却只有后者的1/6到1/7。碳纳米管因 而被称“超级纤维”。
扶手椅式纳米管 锯齿形纳米管
3、碳纳米管按照石墨烯片的层数分类
碳纳米管按照石墨烯片的层数分类可分为：单壁碳纳米管（Singlewalled nanotubes, SWNTs）和多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes, MWNTs），与多壁管相比，单壁管是由单层圆柱型石墨 层构成，其直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致 性。
碳纳米管的应用前景
• 1、 超级电容器 碳纳米管比表面积大、结晶度高、
导电性好，微孔大小可通过合成工 艺加以控制，是一种理想的电双层 电容器电极材料。由于碳纳米管具 有开放的多孔结构，并能在与电解 质的交界面形成双电层，从而聚集 大量电荷，功率密度可达8000W/kg。 碳纳米管超级电容器是已知的最大 容量的电容器。
碳纳米管具有良好的传热性能，CNTs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，相对的其垂直方向的热交 换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热 传导材料。
另外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微 量的碳纳米管 ,该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善