碳纳米管的制备与应用
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管壁由单石墨片层卷绕而成， 两侧由富勒烯半球封端
1 碳纳米管的结构与特性
根据卷绕方式（ n, m）的不同，可分为
? 椅式管 armchair n = m
? 锯齿型管 zigzag n = 0
? 手性管 chiral
n ≠ m, m ≠ 0
单石墨片层
armchair 型SWNT
zigzag型SWNT
1. Ali Eatemadi, Hadis Daraee, Hamzeh Karimkhanloo, et al. Carbon nanotubes: properties,
synthesis, purification, and medical application 2. K. Tohji, H. . Takahashi, Y Shinoda, et al. Purification Proced
+复合材料 +载体 纳米管阵列 二维、三维 排列组合 ……
3 碳纳米管的制备
碳纳米管的制备方法：
?电弧法
?激光蒸发法
常用
?化学气相沉积法（ CVD法）
增强等离子热流体化学蒸气分解沉积法（ PECVD ）
高压一氧化碳合成工艺（ HiPCO）
?其它制备方法
3.1 电弧法
石墨电弧法（传统电弧法）
以石墨为电极，在惰性气体环境 中，电弧放电，消耗阳极石墨， 在阴极上生成碳纳米管 电压 - 12~25 V； 电流 - 50~120 A； 电极间隙 - ~1 mm； 最早应用的碳纳米管合成方法 可生产SWNT和MWNT
16-60 ~2
碳纳米管西装 ——防弹衣
2 碳纳米管的应用
在电磁学领域的应用
金纳米团簇-多壁 碳纳米管修饰电极
碳纳米管电 化学传感器
2 碳纳米管的应用
在催化剂材料领域的应用
在储氢材料领域领域的应用
在碳纳米管中组装纳米催化剂
碳纳米管储氢
2 碳纳米管的应用
力学领域+电磁学
Science, Vol. 101, No. 11, 2008
优势：等离子体增强反应活性 外加电场控制生长方向
Science. 1998. 282 (5391): 1105–7.
3.3.3 高压一氧化碳合成工艺（HiPCO， High-pressure carbon monoxide synthesis）
将冷的含有羰基铁Fe(CO)5的高压CO气体,和预先加热到1200℃ 的CO气体相混合，使含有催化剂的高压CO气体,在不到1毫秒的 时间内加热到1000℃。这时羰基铁分解出的Fe原子相互碰撞形 成 铁纳米颗粒，铁纳米颗粒进而和 CO反应生成CO2并留下一个 碳原子
chiral型SWNT
1 碳纳米管的结构与特性
多壁碳纳米管 可视为“同轴多层碳圆柱体的组装体”– Russian doll 层间距~0.34 nm 多层碳圆柱体间由弱的Van de Waals力提供绑缚力
单壁碳纳米管 SWNTs
多壁碳纳米管 MWNTs
2 碳纳米管的应用
在力学领域的应用
材料 单壁碳纳米管 椅式单壁碳纳米管 Z型单壁碳纳米管 手性单壁碳纳米管 多壁碳纳米管
不锈钢 凯夫拉纤维
杨氏模量（ TPa） ~1 (from 1 to 5) 0.94 0.94 0.92 0.2-0.95 0.186-0.214 0.06-0.18
抗拉强度（ GPa） 13-53 126.2 94.5
11-160 0.38-1.55
3.6-3.8
断裂伸长率（ %） 16 23.1
16.6-17.6
a
（a）石墨层间夹杂的金属纳米粒子 透射电镜图
（b）a中纳米粒子部分放大图
J. Phys. Chem. B, Vol. 101, No. 11, 1997
3.2 激光烧蚀法
优点：所得碳纳米管品质高， 结构完整，缺陷较少，适合生 长SWNT 缺点：成本高，收率低
10nm
单壁碳纳米管束
SCIENCE VOL. 273 26 JULY 1996
石墨电弧法制备纳米碳管装置图
3.1 电弧法
复合电极电弧催化
掺有过渡金属其氧化物（如Fe, Co, Ni, Mo等）的石墨为电极
优势： 产物为SWNTs 副产物少 纯度高
催化剂粉末
劣势：产物中掺有少 量催化剂
复合电极电弧催化制备纳米碳管装置图 1.冷却水 2.真空 3.氦气
3.1 电弧法
b
纯化的SCNTs扫描电 子显微镜图
2001. Cambridge: Cambridge University Press.
3.4 其它制备方法
? 固相热解法 ? 水热晶化法 ? 太阳能法 ? 电解法 ? 溶胶凝胶法
……
4 碳纳米管的纯化
合成产物中，常伴有大量杂质，如无定型碳、富勒烯、 金属催化剂等
4 碳纳米管的纯化
物理方法： 离心分离法 电泳纯化法 过滤纯化法 色谱层析法
碳纳米管的制备与应用
汇报成员：周孝禹 小组成员：皇甫常欣、任小敏、 阮成飞、黄帅、尹力、曹娜、 石芳、万宁波、王潇、魏泽宇、 石明、陈雯雯、贺敏
目录
01 碳纳米管的结构与特性 02 碳纳米管的应用 03 碳纳米管的制备 04 碳纳米管的纯化 05 挑战与展望
1 碳纳米管的结构与特性
定义：径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级的， 管状一维量子材料。
发现： 发现人：日本科学家饭岛澄男（Sumio Iijima） 时 间：1991年 手 段：高分辨透射电镜（HRTEM） 意 义：开辟了碳家族的又一同素异构体和纳米材 料研究的新领域。
1 碳纳米管的结构与特性
管状的碳分子，sp2杂化 碳-碳σ键结合起来 形成由六边形组成的蜂窝状结构作为 碳纳米管的骨架
3.3.1 化学气相沉积法（CVD）
利用纳米尺度的过渡金属或其氧化物为催化剂，在相对较低的 温度 (500-1200℃)下热解碳源气体(甲烷、乙炔、乙烯、丙烯、 苯和一氧化碳等)来合成碳纳米管
优势：产量大 生产方法简单 重复性高
劣势：杂质多
3.3.2 等离子体增强化学气相沉积工艺 (Plasma-enhanced CVD, PECVD)
化学方法：
电化学氧化法
+
微波加热氧化法 液相氧化法
氢化作用提纯法
Nat.Mater. 2015,14:1087-1098.
挑战与展望
? 碳纳米管生长机理还不够明确，影响碳纳 米管的产量、质量及产率的因素也不清楚
? 优化目前的生产、分离和提纯工艺 ? 高纯度、高比表面积和长度、螺旋角等可
控ຫໍສະໝຸດ Baidu
主要参考文献
1 碳纳米管的结构与特性
根据卷绕方式（ n, m）的不同，可分为
? 椅式管 armchair n = m
? 锯齿型管 zigzag n = 0
? 手性管 chiral
n ≠ m, m ≠ 0
单石墨片层
armchair 型SWNT
zigzag型SWNT
1. Ali Eatemadi, Hadis Daraee, Hamzeh Karimkhanloo, et al. Carbon nanotubes: properties,
synthesis, purification, and medical application 2. K. Tohji, H. . Takahashi, Y Shinoda, et al. Purification Proced
+复合材料 +载体 纳米管阵列 二维、三维 排列组合 ……
3 碳纳米管的制备
碳纳米管的制备方法：
?电弧法
?激光蒸发法
常用
?化学气相沉积法（ CVD法）
增强等离子热流体化学蒸气分解沉积法（ PECVD ）
高压一氧化碳合成工艺（ HiPCO）
?其它制备方法
3.1 电弧法
石墨电弧法（传统电弧法）
以石墨为电极，在惰性气体环境 中，电弧放电，消耗阳极石墨， 在阴极上生成碳纳米管 电压 - 12~25 V； 电流 - 50~120 A； 电极间隙 - ~1 mm； 最早应用的碳纳米管合成方法 可生产SWNT和MWNT
16-60 ~2
碳纳米管西装 ——防弹衣
2 碳纳米管的应用
在电磁学领域的应用
金纳米团簇-多壁 碳纳米管修饰电极
碳纳米管电 化学传感器
2 碳纳米管的应用
在催化剂材料领域的应用
在储氢材料领域领域的应用
在碳纳米管中组装纳米催化剂
碳纳米管储氢
2 碳纳米管的应用
力学领域+电磁学
Science, Vol. 101, No. 11, 2008
优势：等离子体增强反应活性 外加电场控制生长方向
Science. 1998. 282 (5391): 1105–7.
3.3.3 高压一氧化碳合成工艺（HiPCO， High-pressure carbon monoxide synthesis）
将冷的含有羰基铁Fe(CO)5的高压CO气体,和预先加热到1200℃ 的CO气体相混合，使含有催化剂的高压CO气体,在不到1毫秒的 时间内加热到1000℃。这时羰基铁分解出的Fe原子相互碰撞形 成 铁纳米颗粒，铁纳米颗粒进而和 CO反应生成CO2并留下一个 碳原子
chiral型SWNT
1 碳纳米管的结构与特性
多壁碳纳米管 可视为“同轴多层碳圆柱体的组装体”– Russian doll 层间距~0.34 nm 多层碳圆柱体间由弱的Van de Waals力提供绑缚力
单壁碳纳米管 SWNTs
多壁碳纳米管 MWNTs
2 碳纳米管的应用
在力学领域的应用
材料 单壁碳纳米管 椅式单壁碳纳米管 Z型单壁碳纳米管 手性单壁碳纳米管 多壁碳纳米管
不锈钢 凯夫拉纤维
杨氏模量（ TPa） ~1 (from 1 to 5) 0.94 0.94 0.92 0.2-0.95 0.186-0.214 0.06-0.18
抗拉强度（ GPa） 13-53 126.2 94.5
11-160 0.38-1.55
3.6-3.8
断裂伸长率（ %） 16 23.1
16.6-17.6
a
（a）石墨层间夹杂的金属纳米粒子 透射电镜图
（b）a中纳米粒子部分放大图
J. Phys. Chem. B, Vol. 101, No. 11, 1997
3.2 激光烧蚀法
优点：所得碳纳米管品质高， 结构完整，缺陷较少，适合生 长SWNT 缺点：成本高，收率低
10nm
单壁碳纳米管束
SCIENCE VOL. 273 26 JULY 1996
石墨电弧法制备纳米碳管装置图
3.1 电弧法
复合电极电弧催化
掺有过渡金属其氧化物（如Fe, Co, Ni, Mo等）的石墨为电极
优势： 产物为SWNTs 副产物少 纯度高
催化剂粉末
劣势：产物中掺有少 量催化剂
复合电极电弧催化制备纳米碳管装置图 1.冷却水 2.真空 3.氦气
3.1 电弧法
b
纯化的SCNTs扫描电 子显微镜图
2001. Cambridge: Cambridge University Press.
3.4 其它制备方法
? 固相热解法 ? 水热晶化法 ? 太阳能法 ? 电解法 ? 溶胶凝胶法
……
4 碳纳米管的纯化
合成产物中，常伴有大量杂质，如无定型碳、富勒烯、 金属催化剂等
4 碳纳米管的纯化
物理方法： 离心分离法 电泳纯化法 过滤纯化法 色谱层析法
碳纳米管的制备与应用
汇报成员：周孝禹 小组成员：皇甫常欣、任小敏、 阮成飞、黄帅、尹力、曹娜、 石芳、万宁波、王潇、魏泽宇、 石明、陈雯雯、贺敏
目录
01 碳纳米管的结构与特性 02 碳纳米管的应用 03 碳纳米管的制备 04 碳纳米管的纯化 05 挑战与展望
1 碳纳米管的结构与特性
定义：径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级的， 管状一维量子材料。
发现： 发现人：日本科学家饭岛澄男（Sumio Iijima） 时 间：1991年 手 段：高分辨透射电镜（HRTEM） 意 义：开辟了碳家族的又一同素异构体和纳米材 料研究的新领域。
1 碳纳米管的结构与特性
管状的碳分子，sp2杂化 碳-碳σ键结合起来 形成由六边形组成的蜂窝状结构作为 碳纳米管的骨架
3.3.1 化学气相沉积法（CVD）
利用纳米尺度的过渡金属或其氧化物为催化剂，在相对较低的 温度 (500-1200℃)下热解碳源气体(甲烷、乙炔、乙烯、丙烯、 苯和一氧化碳等)来合成碳纳米管
优势：产量大 生产方法简单 重复性高
劣势：杂质多
3.3.2 等离子体增强化学气相沉积工艺 (Plasma-enhanced CVD, PECVD)
化学方法：
电化学氧化法
+
微波加热氧化法 液相氧化法
氢化作用提纯法
Nat.Mater. 2015,14:1087-1098.
挑战与展望
? 碳纳米管生长机理还不够明确，影响碳纳 米管的产量、质量及产率的因素也不清楚
? 优化目前的生产、分离和提纯工艺 ? 高纯度、高比表面积和长度、螺旋角等可
控ຫໍສະໝຸດ Baidu
主要参考文献