碳纳米管的制备工艺与生长机理_朱宝华
碳纳米管的制备
碳纳米管得种类
单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、双壁碳 纳米管、定向碳纳米管、超顺排碳纳米 管、水平超长碳纳米管、掺杂碳纳米管、 螺旋碳纳米管、碳纳米管结及碳纳米管 /石墨烯杂化物
单壁碳纳米管
单壁碳纳米管:主要应用于储氢材料,添加剂得改 性
宏观尺度
宏观尺度上连续生产碳纳米管,涉及多 相催化工程、反应工程以及应用探索、 市场开拓等复杂工程、
碳纳米管合成得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
聚合
催化剂设计
调节
碳管 组装
过程 社会与环境
开发
碳纳米管合成得工程原理
催化剂设计
原子尺度上得碳纳米管生长: 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得可 控制备、 许多碳纳米管产品得特性,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 度上得物理化学基础控制、
碳纳米管合成得工程原理
传递与反应
反应器尺度得传递现象及碳纳米管得生长动力学: 碳纳米管生长过程包含巨大得密度、体积变化以及 由此带来得聚团结构、反应与流动状态得变化。
这种变化需要控制反应器得温度和浓度等核心生长 条件。尽管碳纳米管得生长和高分子聚合有相似之 处, 但就是碳纳米管得分子量更高, 其相关得反应传 递特性与高分子加工显著不同, 进而相关得传统加工 理念必须做出调整才能够适应类似碳纳米管得纳米 材料得宏量制备。
碳纳米管得工程原理
反应器与过程
宏观尺度得过程设计与强化: 过程尺度设计就是实 现碳纳米管产业化最为主要得工程工作; 而过程进 一步强化, 如使用更好得加工工艺操作、设计新得催 化路线以及发展经济型原料和进料方式, 可以有效提 高过程得效率。
碳纳米管的制备及在电子器件中的应用
碳纳米管的制备及在电子器件中的应用随着科技的发展，人们逐渐意识到环保和可持续发展的重要性，而碳纳米管便是一种使得技术和环保得以兼顾的新型材料。
碳纳米管是一种由碳原子组成的管状结构，具有极高的力学强度和导电性能，因此在电子器件中有着广泛的应用前景。
本文将介绍碳纳米管的制备方法及其在电子器件中的应用。
一、碳纳米管的制备方法目前，碳纳米管的制备方法主要有两种：化学气相沉积（CVD）和电弧放电法。
CVD法是一种在高温、高压和良好的气体体系下，通过化学反应制备碳纳米管的方法，常用的碳源有乙烯、乙炔等。
CVD法可以制备不同的碳纳米管，包括单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。
此方法制备的碳纳米管纯度高、直径均一。
另一种制备碳纳米管的方法是电弧放电法，该方法以金属的热氧化合物作为原料，在惰性气体的环境下进行加热并加入直流电的方法，制备出碳纳米管。
电弧放电法制备碳纳米管的特点是简单易行，但其制备的碳纳米管杂质含量高、产量低且多为多壁碳纳米管。
二、碳纳米管在电子器件中的应用1. 碳纳米管场效应晶体管碳纳米管场效应晶体管（CNTFET）是基于碳纳米管的一种新型晶体管。
该晶体管利用碳纳米管在垂直方向上的导电性和在平面方向上的限制性，形成了一种新型电子传输模式。
CNTFET可以实现晶体管的高速、低功耗和高可靠性。
因此，CNTFET有望取代硅基场效应晶体管，并在高性能和低功耗电子器件领域得到广泛应用。
2. 传感器碳纳米管具有优异的传感性能，因此适用于制备传感器。
一种碳纳米管传感器可以检测气体，基于氧化碳纳米管的传感器可以检测低浓度的气体，如一氧化碳和氨气。
此外，碳纳米管也可用于光学传感器、生物传感器和机械传感器等方面。
3. 晶体管和集成电路碳纳米管具有良好的载流子传输性能，因此可以应用于制备晶体管和集成电路。
尽管碳纳米管还未被广泛应用于晶体管和集成电路的商业制造和应用，但在实验室里已经可以制备出由数百个碳纳米管组成的原型晶体管和集成电路，并取得了良好的性能。
碳纳米管的制备方法
碳纳米管的制备方法碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）是一种具有优异性能和广泛应用前景的纳米材料，具有极高的比表面积、优异的导电性和热导率，因此在材料科学、纳米技术、能源存储等领域有着重要的应用价值。
碳纳米管的制备方法多种多样，下面将介绍几种常见的制备方法。
1. 化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition, CVD）。
化学气相沉积法是目前制备碳纳米管最常用的方法之一。
在CVD过程中，碳源气体（如甲烷、乙烯等）与载气（如氢气、氨气等）在高温条件下通过催化剂（如铁、镍、钴等）的作用下发生化学反应，生成碳原子，最终在催化剂表面形成碳纳米管。
CVD方法制备的碳纳米管质量较高，但是需要高温和高真空条件，设备成本较高。
2. 弧放电法（Arc Discharge）。
弧放电法是一种较为简单的碳纳米管制备方法，通过在高温下将碳源（如石墨）和金属催化剂（如铁、钴、镍等）放电，产生高温等离子体，从而在合成碳纳米管。
弧放电法制备的碳纳米管质量较高，但是产率较低，且需要严格控制反应条件。
3. 化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition, CVD）。
化学气相沉积法是目前制备碳纳米管最常用的方法之一。
在CVD过程中，碳源气体（如甲烷、乙烯等）与载气（如氢气、氨气等）在高温条件下通过催化剂（如铁、镍、钴等）的作用下发生化学反应，生成碳原子，最终在催化剂表面形成碳纳米管。
CVD方法制备的碳纳米管质量较高，但是需要高温和高真空条件，设备成本较高。
4. 气相凝结法（Gas-phase Condensation）。
气相凝结法是一种通过在高温下将碳源气体（如甲烷、乙烯等）在惰性气体氛围中加热，然后通过快速冷却的方法制备碳纳米管。
在气相凝结法中，碳原子在高温下先形成团簇，然后在快速冷却的条件下形成碳纳米管。
这种方法制备的碳纳米管产率较高，但是质量相对较低。
5. 水热法（Hydrothermal Synthesis）。
碳纳米管的制备方法与应用
碳纳米管的制备方法与应用碳纳米管是一种具有非常特殊性质的碳材料，它的制备方法和应用具有很大的研究价值。
本文将基于相关研究文献，探讨碳纳米管的制备方法和应用领域。
一、制备方法碳纳米管通常有两种制备方法，即“底上生长法”和“上下生长法”。
底上生长法是指在金属衬底上，利用热化学气相沉积（CVD）等方法，在高温下生长碳纳米管。
这种方法制备出的碳纳米管产量大，连续性好，但会造成衬底中金属杂质的污染。
上下生长法是指将金属催化剂沉积在碳纳米管基底上，然后在催化剂表面生长碳纳米管。
这种方法制备出的碳纳米管纯度高，但因为样品不连续，所以产量相对较低。
不同制备方法对碳纳米管的结构和性质会有所影响，因此，制备方法的选择取决于具体应用的需求。
二、应用碳纳米管在材料科学、生物医学、电子、能源等领域中具有广泛的应用。
材料科学领域中，碳纳米管可以用于制备高强度、高导电性、高导热性、高比表面积的复合材料，应用于汽车、航空、航天、建筑等领域。
碳纳米管也可以用于制备高性能电极材料，提高锂离子电池的性能。
生物医学领域中，碳纳米管可以用于制备纳米药物传递系统和纳米生物传感器，进行肿瘤治疗和疾病诊断。
电子领域中，碳纳米管可以用于制备高性能逻辑电路和摄像头，替代各种传统电子元器件。
能源领域中，碳纳米管可以用于制备高效率的太阳能电池和储能系统，减少能源的消耗和浪费。
三、未来展望随着人类对碳纳米管的认识不断加深，碳纳米管的应用领域也会不断扩展。
未来，碳纳米管可能会应用于烯烃加氢、催化还原、氧化反应等领域，成为一种重要的催化剂。
同时，碳纳米管还可以应用于激光、纳米传感器和量子计算等领域，开辟崭新的研究方向和应用前景。
四、结语作为一种前沿领域的材料，碳纳米管的制备方法和应用领域仍然具有很大的潜力。
未来，人类将会通过不懈的努力，探索碳纳米管更多的结构和性质，为人类社会的发展做出更大的贡献。
多壁碳纳米管的制备及其生长机理研究的开题报告
多壁碳纳米管的制备及其生长机理研究的开题报告一、研究背景及意义碳纳米管是一种新兴的纳米材料，在电子、机械、化学等领域有着广泛的应用。
多壁碳纳米管是碳纳米管的一种形式，由若干个同心圆形壳组成，有着更加优异的力学性能和导电性能。
因此，多壁碳纳米管在材料科学、物理学、化学等领域有重要的研究和应用价值。
多壁碳纳米管的制备和生长机制是当前多个研究领域的热点之一，对其进行深入研究可以加深对其物理化学特性的认识，为其在材料科学和多个应用领域的实际应用提供基础支撑。
因此，本研究将致力于多壁碳纳米管的制备及其生长机理研究，为其在材料科学和其他领域的应用提供理论和实验基础。
二、研究内容和方法1.多壁碳纳米管的制备方法研究本研究将采用不同的化学气相沉积方法，包括化学气相沉积（CVD）、改进的热法气相沉积、化学气相淀积等方法，制备多壁碳纳米管。
利用不同的实验参数和制备方法，比较不同制备条件对多壁碳纳米管数量、质量和结构的影响，找到最优化的制备条件。
2.多壁碳纳米管的生长机理研究采用扫描电镜（SEM）、高分辨透射电镜（HRTEM）、X射线衍射（XRD）等技术对多壁碳纳米管的结构及组成进行表征和分析，并结合学术文献分析多壁碳纳米管的生长机理。
利用实验数据对多壁碳纳米管的生长过程进行模拟和分析，探讨各种物理化学因素对多壁碳纳米管生长的影响机制。
三、研究进度和预期成果研究初期，将对多壁碳纳米管的制备方法进行系统性实验和结论总结。
中期，对实验数据进行分析和模拟，从生长机理的角度进一步探讨多壁碳纳米管制备过程中的影响因素。
最终，将会得出多壁碳纳米管制备和生长机理的深入认识，为其在材料学和其他领域的应用研究提供实验和理论基础支撑。
预期成果如下：1.多壁碳纳米管的制备方法最优化选择；2.多壁碳纳米管的形态、结构及性质分析结果；3.多壁碳纳米管生长机理的研究成果。
碳纳米管材料的制备与应用
碳纳米管材料的制备与应用随着科技的不断发展，人类需要的材料也越来越多样化。
其中，碳纳米管材料已经逐渐成为各个领域的研究热点。
碳纳米管是由碳原子组成的管状结构，具有优异的电学、热学和机械性能，因此在材料科学、能源、电子学、生物医学等领域都有广泛的应用。
本文将着重讨论碳纳米管的制备与应用。
一、碳纳米管的制备方法碳纳米管的制备方法分为两类：化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。
其中，化学气相沉积是目前主流的制备方法。
1. CVD法CVD法是一种将碳源物质通过高温反应在衬底上形成碳纳米管的方法。
该方法在过去几十年间被广泛应用。
其原理是将在高温下分解的碳源物质(MgO、Fe、Co、Ni等金属薄膜)与甲烷(CH4)等碳源反应，生成碳纳米管。
产生的碳纳米管在金属薄膜上进行生长，成品碳纳米管可以被用于许多领域，如生物医学、电子学和机械工程。
2. PVD法PVD法是物理气相沉积法，是将高温高真空条件下的碳到金属薄膜表面，使其发生化学反应产生的碳纳米管。
PVD法和CVD法相比，能够控制制备的材料的形态，所以在某些行业中得到了广泛应用。
二、碳纳米管的应用碳纳米管可应用于生物医学、电子，机械工程等诸多领域中。
下面我们将简述几个典型应用案例。
1.生物医学碳纳米管是最有前途的纳米生物材料之一，具有良好的潜在应用前景。
例如，在体内使用碳纳米管作为药物载体能够提高药物在体内的分布，从而改善治疗效果。
同时还可以在生物医学领域中应用到组织修复等方面。
虽然在生物医学应用领域，碳纳米管还有各种缺陷需要克服，但其无疑是一个相当有前景的材料。
2. 电子碳纳米管在电子领域中的应用被认为是随着大小更小的范围的涌现而产生的。
碳纳米管的应用在电学方面主要有两个方面：体积很小时还能保持完美的电性；因其结构的高度均匀性而成本效益较高。
3. 机械工程由于碳纳米管的力学性质优异，具有较高的韧性和高强度，可以有效解决一些结构耐磨、化学稳定度和热稳定度较差、承载能力不足，同时仍具有大量不仅仅是机架化的性能的问题，也具有广泛的应用和前景。
碳纳米管的合成原理与电子传输性质
碳纳米管的合成原理与电子传输性质碳纳米管是由碳原子构成的纳米尺寸的管状结构，具有独特的物理和化学性质，因此在纳米科技领域具有广泛的应用潜力。
本文将介绍碳纳米管的合成原理以及其电子传输性质。
一、碳纳米管的合成原理碳纳米管的合成涉及到多种方法，其中最常用的方法是化学气相沉积（CVD）和电化学沉积（ECD）。
1. 化学气相沉积（CVD）法CVD法是一种通过热解碳源气体在催化剂表面生长碳纳米管的方法。
一般而言，该方法主要包括以下步骤：（1）预处理：将催化剂（通常使用镍、铁等金属）覆盖在载体上，并进行适当的预处理，以提高催化剂的活性。
（2）碳源气体供应：将碳源气体（如甲烷、乙烯等）引入反应室中，同时提供适当的惰性气体（如氢气）以稀释碳源气体。
（3）加热反应室：反应室中的催化剂被加热至适当的温度（通常为600-1000摄氏度），使碳源气体发生分解反应。
（4）碳纳米管生长：碳源气体分解产生的碳原子在催化剂表面沉积并结晶，形成碳纳米管。
2. 电化学沉积（ECD）法ECD法是一种利用电化学原理，在合适的电位下，在电极表面沉积碳纳米管的方法。
具体步骤如下：（1）制备电极：选择适当的导电材料作为电极，如玻碳电极、金属电极等，使其表面光滑且无缺陷。
（2）电解液制备：选择合适的电解液，其中必须含有碳源，如氨水、甲基化合物等。
（3）电沉积：将电极浸入电解液中，施加适当的电位，通过电解反应使碳源离子还原形成碳纳米管在电极表面沉积。
（4）碳纳米管表征：将合成的碳纳米管从电极上取下，经过必要的清洗和表征手段，如扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）进行形貌和结构分析。
二、碳纳米管的电子传输性质碳纳米管的电子传输性质主要由其结构和几何形状决定，下面将介绍两种常见的电子传输性质：1. 金属性碳纳米管金属性碳纳米管具有类似金属材料的导电特性，其导电行为可以用自由电子气模型描述。
这种类型的碳纳米管具有优良的电子传导性能和低内阻，因此在纳米电子器件中有广泛的应用。
碳纳米管的制备工艺与生长机理_朱宝华
・建筑材料及应用・文章编号:100926825(2007)3320174202碳纳米管的制备工艺与生长机理收稿日期:2007206219作者简介:朱宝华(19772),男,重庆交通大学硕士研究生,重庆 400074朱宝华摘 要:针对碳纳米管的独特结构和性能,介绍了电弧法、激光蒸发法和化学气相沉积法三种制备碳纳米管的方法,并建立不同的物理模型,详细阐述了以上三种方法的生长机理,为研究碳纳米管技术提供了参考借鉴。
关键词:碳纳米管,生长机理,制备工艺中图分类号:TU551文献标识码:A 碳纳米管(简称CN Ts )自1991年由Iijima 发现以来,立即受到全球科学家的关注,很快就变成研究最多的纳米材料。
碳纳米管分为单壁和多壁两种,由于多壁碳纳米管结构的复杂性,单壁碳纳米管作为理论计算的研究对象,根据形成碳纳米管的石墨面的卷曲方式,它可以分为非螺旋型和螺旋型两类,对于非螺旋型结构,管壁上原子六元环碳链的排列方向平行于管轴时为“椅式”结构,而当其排列方向垂直于管轴则为“齿式”结构。
实际上对于大多数碳纳米管而言,管壁上任何碳原子六元环链的排列方向大都既不平行也不垂直于碳纳米管的轴线方向,而是相对于碳纳米管的轴线方向具有一定的螺旋角,碳六元环以这样的方式排列形成的纳米管就是螺旋型的碳纳米管。
螺旋型的碳纳米管具有手性的区别,因此也被称为具有“手性”结构的碳纳米管。
碳纳米管的管状结构和较大长度直径比,使其成为理想的和有前途的准一维材料,而且理论预言这种纯碳分子所构成的直径最细、结构多变的纳米管具有很多奇异的性质,必将在纳米材料科学、分子电子器件及纳米生命科学中发挥重要作用。
1 单壁碳纳米管的制备1.1 电弧法电弧是一种气体放电现象,当电极两端的电流功率较大时,电极间的气体被击穿,产生几千度甚至上万度的高压,电能在瞬间转化为光能和热能。
将石墨棒作阳极插入反应室,与室内已装有的石墨棒(或短铜棒)阴极接触产生电弧后,在电弧区生成的碳纳米管落下,沉积在筒的底部,反应室内充满液氮。
碳纳米管的制备与应用
碳纳米管的制备与应用碳纳米管（Carbon Nanotubes，简称CNTs）是一种由碳元素构成的纳米材料，具有优异的物理和化学性质，广泛应用于多个领域，如电子学、材料科学、能源储存等。
本文将探讨碳纳米管的制备方法以及其在各个领域的应用。
一、碳纳米管的制备方法1. 弧放电法：通过在一个单位大气压下的两个碳电极之间施加高电流和高电压，利用碳电极表面产生的高温和高热量，从而在电极上形成弧光放电，使得碳纳米管得以制备。
2. 化学气相沉积法：将碳源（如甲烷、乙腈等）和催化剂（如金属镍、铁等）同时输入到高温反应室中，通过热裂解反应，使碳源气体分解并在催化剂表面形成碳原子，最终形成碳纳米管。
3. 化学液相沉积法：将碳源和催化剂溶解在有机溶剂中，通过调节反应条件（如温度、反应时间等），使碳源中的碳原子在催化剂的作用下结晶生长为碳纳米管。
二、碳纳米管的应用领域1. 电子学：碳纳米管因其优异的电子输运性能被广泛应用于电子元件的制备。
其具有高电导率、高载流子迁移率和优异的机械强度，可用于制造高性能的场效应晶体管（FET）、集成电路、柔性电子等。
2. 材料科学：碳纳米管可以作为增强剂添加到金属基体中，提高材料的力学性能。
此外，碳纳米管还可以制备出具有高比表面积和孔隙结构的吸附材料，广泛应用于气体吸附、催化剂载体等领域。
3. 能源储存：碳纳米管作为超级电容器材料具有高比电容和长循环寿命，可广泛应用于储能装置和电动车辆中。
此外，碳纳米管还可以用于锂离子电池电极材料的改性，提高电池的能量密度和循环寿命。
4. 生物医学：碳纳米管因其良好的生物相容性和荧光性能，在生物医学领域具有广泛的应用前景。
例如，碳纳米管可以用作药物传递载体，通过改变管壁上的功能基团，实现对药物的控制释放；同时，其荧光性质还可用于生物分子探测和光热治疗等。
总结起来，碳纳米管作为一种新型纳米材料，在电子学、材料科学、能源储存和生物医学等领域具有广泛应用前景。
碳纳米管复合材料的制备及其应用研究
碳纳米管复合材料的制备及其应用研究碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs）是一种纳米尺度的碳材料，具有极高的机械强度、导电性和导热性。
随着科技的不断进步，人们对碳纳米管也越来越重视。
尤其是碳纳米管复合材料，其制备及应用正在成为当今研究领域的热点之一。
一、碳纳米管的制备碳纳米管材料是以碳为主体的一种特殊纳米材料，其制备方法主要有两种：一种是基于碳分子的单壁碳纳米管生长法，另一种是基于石墨材料的多壁碳纳米管制备法。
前者利用气相淀积法或等离子体化学气相沉积法得到单壁碳纳米管；后者则是以天然石墨为原料，通过高温碳化、球磨、化学氧化、还原等一系列处理过程获得。
二、碳纳米管复合材料的制备碳纳米管复合材料是将碳纳米管作为增强材料，与其他基材料（如金属、聚合物等）进行复合而成的一种复合材料。
制备碳纳米管复合材料的方法有很多种，其主要方法包括：浸渍法、缠绕法、溶胶-凝胶法等。
其中，浸渍法是最常用的方法之一。
在该方法中，将碳纳米管与有机溶剂混合，使其均匀分散后，再浸渍到基材料中，放置一段时间即可形成，具有很强的增强效果。
三、碳纳米管复合材料的应用碳纳米管复合材料由于具有很好的电子传输和固体力学性能，在多个领域都有应用前景。
以下列举其中几个主要领域。
1. 材料强化由于碳纳米管的强度和硬度较高，通过将其纳米尺度的结构与其他材料复合，可以提高复合材料的力学性能。
在高端航空航天、汽车制造等领域，碳纳米管复合材料有着广泛的应用。
2. 电子器件又由于碳纳米管具有很好的导电性和导热性，复合后的复合材料也有很好的电子传输性能，可以应用于柔性电极、生物传感器等电子器件。
3. 生物医学领域生物医学领域也是碳纳米管复合材料应用的一个热点。
具有良好的生物相容性和光学性质的单壁碳纳米管，被广泛应用于药物运输、诊断及治疗方面。
综上所述，碳纳米管复合材料是一种具有非常广泛应用前景的复合材料。
再加上我国在碳纳米管领域的实力强大，我们有理由相信，碳纳米管复合材料一定会在未来的科技发展中发挥越来越大的作用。
碳纳米管的制备
碳纳米管的制备碳纳米管是一种具有独特结构和优异性能的纳米材料，广泛应用于电子器件、储能材料、传感器等领域。
本文将介绍碳纳米管的制备方法及其原理。
一、碳纳米管的制备方法碳纳米管的制备方法主要包括化学气相沉积法、电弧放电法、激光烧蚀法和碳化合物热解法等。
下面将对其中的几种常用方法进行详细介绍。
1.化学气相沉积法化学气相沉积法是目前最常用的制备碳纳米管的方法之一。
其原理是在适当的温度下，将含有碳源和催化剂的气体通过反应管，使之在催化剂表面发生化学反应，生成碳纳米管。
该方法具有制备工艺简单、成本较低等优点。
2.电弧放电法电弧放电法是一种较早被发现的碳纳米管制备方法。
其原理是在高温下，通过电弧放电使碳源蒸发，生成碳烟，进而形成碳纳米管。
该方法制备的碳纳米管质量较高，但成本较高，且产量较低。
3.激光烧蚀法激光烧蚀法是利用激光脉冲对含有碳源的固体进行瞬时加热，使之发生爆炸和蒸发，生成碳纳米管。
该方法制备的碳纳米管结构较好，但对设备要求较高，且产量较低。
4.碳化合物热解法碳化合物热解法是一种将碳源与金属催化剂一起加热至高温，使碳源在催化剂表面发生热解反应生成碳纳米管的方法。
该方法制备的碳纳米管质量较高，但对设备要求较高，且成本较高。
二、碳纳米管的制备原理无论是哪种制备方法，碳纳米管的制备都基于碳原子的重新排列和堆积。
以化学气相沉积法为例，其制备原理如下：在适当的温度下，将含有碳源和催化剂的气体通过反应管。
在催化剂表面，碳源分解生成碳原子，并在催化剂的作用下重新排列和堆积，形成碳纳米管的结构。
催化剂在碳纳米管的形成过程中起到了关键的作用。
一方面，催化剂可以提供活性位点，促使碳原子的重新排列和堆积；另一方面，催化剂还可以调控碳纳米管的直径和结构。
制备碳纳米管的温度也是一个重要的参数。
温度过高会导致碳纳米管的生长速度过快，从而影响其结构和质量；温度过低则会降低碳纳米管的生长速度。
除了制备方法和制备温度，碳源的选择也会对碳纳米管的结构和性能产生影响。
碳纳米管的制备工艺与生长机理
碳纳米管的制备工艺与生长机理
朱宝华
【期刊名称】《山西建筑》
【年(卷),期】2007(033)033
【摘要】针对碳纳米管的独特结构和性能,介绍了电弧法、激光蒸发法和化学气相沉积法三种制备碳纳米管的方法,并建立不同的物理模型,详细阐述了以上三种方法的生长机理,为研究碳纳米管技术提供了参考借鉴.
【总页数】2页(P174-175)
【作者】朱宝华
【作者单位】重庆交通大学,重庆,400074
【正文语种】中文
【中图分类】TU551
【相关文献】
1.定向/有序碳纳米管的制备及生长机理的研究进展 [J], 徐先锋;洪龙龙
2.氮掺杂长竹节状碳纳米管的制备及其生长机理 [J], 李玲;林奎;张帆;崔兰;王慧;陈小平;张丽爽;Sayyar Ali Shah;崔屾
3.煤基碳纳米管制备技术和生长机理研究进展 [J], 张天开; 王琪; 张永发
4.乙醇裂解制备碳纳米管及其生长机理研究 [J], 刁金香;王惠
5.碳纳米管生长机理研究现状及固-液界面生长模型探索 [J], 耿晓菊;冯明海;左刚武;余本海
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碳纳米管的制备及在催化领域的应用研究
碳纳米管的制备及在催化领域的应用研究碳纳米管是一种由碳原子构成的管状结构，具有极高的韧性和导电性能，因此在催化领域有着广泛的应用。
本文将探讨碳纳米管的制备方法及其在催化领域的应用研究。
一、碳纳米管的制备方法碳纳米管的制备方法主要有化学气相沉积法、电化学沉积法、毛细管拉伸法等。
其中，化学气相沉积法是较为常用的一种制备方法。
1.化学气相沉积法化学气相沉积法是利用化学反应在高温下使含有碳源和催化剂的气体形成碳纳米管的方法。
这种方法制备的碳纳米管，具有高纯度、尺寸均一等优点，因此在催化领域中有着广泛的应用。
该方法具体步骤如下：首先，在高温下将含有碳源和催化剂的气体通入反应室中，使其在反应室中反应。
通常所用的反应气体为乙烯、甲烷等含碳气体，而催化剂一般采用镍、钴等金属。
在反应过程中，碳源和催化剂发生反应生成碳纳米管。
2.电化学沉积法电化学沉积法是利用电化学反应在导电表面沉积碳纳米管的方法。
该方法操作简便，但是所得到的碳纳米管质量较差，难以控制其尺寸和分布。
3.毛细管拉伸法毛细管拉伸法是利用毛细管将含有碳源和催化剂的毛细管拉长，从而形成碳纳米管的方法。
该方法制备的碳纳米管，尺寸较小，但是产量较低，故不在工业上应用。
二、碳纳米管在催化领域的应用研究碳纳米管在催化领域的应用主要分为两类：一类是作为催化剂载体，另一类是作为催化剂的组成部分。
下面将对这两种应用分别进行讨论。
1.碳纳米管作为催化剂载体碳纳米管具有极高的表面积、导电性能和化学稳定性，因此可被用作载体，将催化剂负载在其表面上，从而改善催化剂的稳定性和活性。
最常用的载体是氧化铝和二氧化硅等氧化物，但是这些载体具有一定的缺点，如活性不稳定、易磨损等。
近年来，研究者们利用碳纳米管的优异特性，将其作为载体，载入一些金属离子或氧化物，如镍、钴、氧化钨等，制备出不同的催化剂。
这些催化剂具有高催化活性、优异的选择性和较长的寿命，因此在化工及环保等领域具有重要应用。
2.碳纳米管作为催化剂的组成部分碳纳米管具有极高的导电性能和化学稳定性，在催化反应中具有广泛的应用价值。
碳纳米管的制备、性质和应用进展
在化学传感器和生物传感器领域，碳纳米管的敏感度高、响应速度快，可检测 多种化学物质和生物分子。例如，多壁碳纳米管可检测空气中的有害气体分子， 单壁碳纳米管可检测生物体内的病毒和细菌。这些应用为化学和生物分析提供 了新的检测手段。
在硬材料制备领域，碳纳米管因其卓越的力学性能和热导率而被用于制备高性 能复合材料和耐磨材料。例如，将碳纳米管添加到塑料或橡胶中可显著提高材 料的强度、韧性和热稳定性。此外，碳纳米管还被用于制造刀具和轴承等耐磨 器件，其高硬度和高耐磨性使得这些器件的性能得以显著提升。
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碳纳米管的电子结构研究表明，它们具有金属性和半导体性两种类型，具体取 决于碳纳米管的层数和手性。碳纳米管的导电性能与金属导线相似，具有高电 导率。同时，碳纳米管还具有优异的热导率，可高达6000 W/m·K，远高于铜。
碳纳米管的应用：
由于其独特的结构和性能，碳纳米管在电子、化学传感器、生物传感器和硬材 料制备等领域具有广泛的应用前景。
3、生物医学领域
在生物医学领域，碳纳米管膜也展现出广阔的应用前景。由于其生物相容性和 良好的电性能，碳纳米管膜可以作为药物载体和细胞培养基底。研究表明，将 药物包裹在碳纳米管膜内，可以实现对药物的精确控制和靶向输送。同时，碳 纳米管膜还可以作为细胞生长支架，促进细胞的黏附和增殖。
4、电子器件领域
然而，尽管碳纳米管的研究已经取得了许多成果，但仍存在一些问题需要进一 步探讨。例如，碳纳米管的制备过程中，如何实现规模化生产并降低成本；在 性质方面，如何控制碳纳米管的形貌和性能；在应用方面，如何将碳纳米管更 好地应用到实际生产和科学研究中。
同时，随着科技的不断进步和创新，碳纳米管的研究和应用前景也日益广阔。 未来，可以进一步探索碳纳米管在其他领域的应用，如能源、环保、生物医学 等。此外，随着人工智能和大数据等技术的快速发展，可以预见碳纳米管的研 究和应用将越来越受到智能化和数字化的影响，这将会为碳纳米管的研究和应 用带来更多的机遇和挑战。
碳纳米管制造方法
碳纳米管制造方法我折腾了好久碳纳米管制造方法，总算找到点门道。
我一开始也是瞎摸索，就知道这碳纳米管是个特别神奇的东西，很细很细，好像细得像咱们头发丝儿的万分之一那么细呢。
我最先尝试的方法啊，是化学气相沉积法。
就好比盖房子，你得有原料，在这个方法里呢，我得准备好气态的碳源，这就是盖碳纳米管这个小房子的砖。
我当时还傻愣愣地没选好碳源的纯度，觉得差不多就行，结果做出来的碳纳米管质量特别差，这失败给我个大教训，选原料可不能凑合。
后来我又听说电弧放电法也能制造碳纳米管。
这方法有点像闪电在两个电极之间放电，闪一下这个碳啊就有可能变成纳米管。
可实际操作起来，那可太难了。
我当时没控制好电极之间的距离，一会儿太近了，一下子就烧糊了好多碳材料，一会儿又太远了，根本就没啥反应。
而且啊这个电流的大小也特别难把握，就像你挑水，劲儿小了水接不满，劲儿大了水桶又翻了。
这电弧放电法我试了好多次，失败的次数多得我都不想数了。
再后来我又试了激光蒸发法。
这个方法呢，感觉就像用一把超级厉害的高温激光剑去切割融化碳材料，让它们在特殊的气氛下变成碳纳米管。
不过这个设备可太贵了，而且这激光的能量啊，稍不注意就过高或者过低了。
我还闹过一个笑话呢，我原本以为这个设备设置好了就不用咋管了，结果我出去玩了一圈回来，发现整个制造过程早就因为能量不稳定失败了。
经过这么多失败，我总算有点经验了。
就说化学气相沉积法吧，选好合适纯度的碳源是关键，还要精确控制温度和反应压力。
这反应压力啊就像给这个反应盖个合适的盖子，压力太大或者太小都不行。
还有催化剂也很重要，那就是整个反应的小帮手，能让碳源更好地变成纳米管。
但我也有不确定的地方，就是不同类型的碳纳米管是不是需要在这些条件上做出很大的调整，我还在继续摸索呢。
反正碳纳米管制造不容易，要多尝试，从每一次的失败里找原因，说不定啥时候就成功了。
另外啊我还听说有模板法制造碳纳米管。
不过我还没来得及仔细研究。
这大概就是把碳材料按照预先设计好的模板形状进行合成，我猜这个模板就像是个模具，你把碳放进去，出来就是咱们想要的碳纳米管形状。
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。
碳纳米管制备工艺流程
碳纳米管制备工艺流程稿子一嘿，朋友！今天来和你聊聊神奇的碳纳米管是怎么制备出来的！想象一下，就像是在一个超级实验室里进行一场魔法实验。
一开始呢，要准备好各种材料和工具，这就像大厨做菜前要把食材都备好一样。
然后呀，会有一个叫“化学气相沉积法”的步骤。
这名字听起来有点复杂，其实就是让一些气体在特定的条件下发生反应。
就好像让一群小伙伴在一个特定的游乐场里玩耍，然后它们就神奇地组合成了我们想要的碳纳米管。
在这个过程中，温度和压力的控制超级重要！就像给小宝宝调洗澡水的温度，得刚刚好，不然可就出问题啦。
还有哦，催化剂也不能少。
它们就像是小魔法师，帮助那些气体分子更快更好地变成碳纳米管。
等反应结束，还得把得到的东西进行一番处理和提纯。
这就像是把刚从地里挖出来的土豆洗干净、削皮，只留下最精华的部分。
呢，经过一系列的检测和分析，确保我们得到的碳纳米管质量棒棒哒，就能拿去做各种厉害的事情啦！怎么样，是不是很有趣？稿子二亲，咱们来唠唠碳纳米管的制备工艺流程呗！你知道吗？这一开始啊，就跟搭积木前要找齐积木块似的，得把需要的原材料都找齐咯。
还有一种方法叫激光烧蚀法。
这就好比用超级厉害的激光笔，把一些东西“烧”出我们想要的碳纳米管。
反应的时候，环境条件可得盯紧了。
温度高一点低一点，压力大一点小一点，那结果可能就差之千里。
而且哦，整个过程中，那些小小的分子就像调皮的小精灵，得好好引导它们，才能乖乖地变成我们期待的碳纳米管。
等反应完成，还得给它们来个“大清洁”，把杂质都赶走。
经过仔细地检查，确定咱们得到的碳纳米管是完美的，这时候心里那个美呀，就像完成了一件超级伟大的杰作！怎么样，有没有觉得碳纳米管的制备很神奇？。
碳纳米管（CNTs）及其制备技术综述
碳纳⽶管（CNTs）及其制备技术综述碳纳⽶管（CNTs）及其制备技术1.概述1991年，Iijima在⽯墨电弧放电产物中发现了碳纳⽶管（CNTs），从此碳纳⽶管成为碳家族的⼀个新成员。
CNTs是纳⽶科学的⼀颗耀眼明珠，其独特的结构、优良的物理和化学性能、巨⼤的应⽤前景吸引了⼤批的物理学家、化学家和材料学家的兴趣，成为科学领域的研究热点。
尤其是单壁碳纳⽶管的发现和研究被科学界权威杂志《Science》评为1997年世界⼗⼤科技成果之⼀。
2.碳纳⽶管的结构和性能2.1碳纳⽶管的结构碳纳⽶管是由多个碳原⼦六⽅点阵的同轴圆柱⾯套构⽽成的空⼼⼩管，相临的同轴圆柱⾯之间的距离与⽯墨的层间距相当，约为0.34nm，管壁由六边形排列的碳原⼦组成，每个碳与周围的三个碳原⼦相邻，碳/碳间通过sp2杂化键结合。
管的直径为零点⼏纳⽶到⼏⼗纳⽶，管的长度为微⽶级。
管的直径和长度随不同的制备⽅法及条件的变化⽽不同。
管的端部由五边形排列的碳原⼦封顶。
碳纳⽶管绝⼤多数两端是封闭的，并且这种封闭与碳纳⽶管圆管平滑连接，较⼩直径的碳纳⽶管的封闭形式⼀般呈半圆状，这对应于半个富勒烯（Fullerence）笼。
依据组成碳纳⽶管的⽯墨⽚层数的不同，碳纳⽶管可分为单壁碳纳⽶管即含⼀层⽯墨⽚的碳纳⽶管以及由⼀层以上⽯墨⽚组成的多壁碳纳⽶管。
碳纳⽶管结构⽰意图如图1所⽰。
图1 碳纳⽶管结构⽰意图（a）四层碳纳⽶管结构（b）单层碳纳⽶管结构2.2碳纳⽶管的性能碳纳⽶管具有独特的电⼦结构和物理化学性质，可以在许多⽅⾯得到⼴泛的应⽤。
碳纳⽶管的直径-长度⽐很⼤，⼀般情况下，长度都是直径的⼏千倍，远远⼤于普通的纤维材料；它的强度⽐钢⾼约100倍，⽽重量仅仅为钢材料的六分之⼀，有可能成为⼀种新型的⾼强度碳纤维材料。
这种“超级碳纤维”材料既具有碳素材料的固有本性，⼜具有⾦属材料的导电性、导热性，陶瓷材料的耐热和耐腐蚀性，纺织纤维的可编织性以及⾼分⼦材料的轻质、易于加⼯性，因⽽具有极⼤的应⽤潜⼒。
碳纳米管的合成及工作原理探究
碳纳米管的合成及工作原理探究碳纳米管（Carbon Nanotubes，简称CNTs）是由碳原子以特定形式排列而成的纳米材料，具有极高的强度、导电性和导热性等优异性能，因而在材料科学、纳米技术和电子领域引起了广泛的关注。
本文将探究碳纳米管的合成方法和工作原理。
一、碳纳米管的合成方法当前主要的碳纳米管合成方法有化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，简称CVD）、电化学沉积法、溶胶凝胶法等。
这些方法具有各自的特点和适用范围。
1. 化学气相沉积法化学气相沉积法是最常用的合成碳纳米管的方法之一。
该方法通过在高温下将碳原子气体在金属催化剂的作用下进行化学反应，使碳原子在催化剂表面形成管状结构，从而合成出碳纳米管。
2. 电化学沉积法电化学沉积法利用电解质中的电流进行沉积，通过调节电流密度和电压等参数，可以控制碳纳米管的直径、长度和构型。
这种方法操作简单、成本较低，但对于合成高质量的碳纳米管还存在一定的挑战。
3. 溶胶凝胶法溶胶凝胶法是一种将某些有机物溶解处理后得到胶体，再通过热解等处理形成纳米结构的方法。
通过控制溶胶的成分、溶胶浓度、热处理条件等因素，可以制备出具有不同形貌和结构的碳纳米管。
二、碳纳米管的工作原理碳纳米管的工作原理主要涉及其独特的晶体结构和电子性质。
1. 晶体结构碳纳米管可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管两种结构。
单壁碳纳米管由一个个碳原子以六角形排列而成的六元环构成，可以卷成管状结构。
多壁碳纳米管由多个单壁碳纳米管套在一起形成，呈层状结构。
碳纳米管的晶体结构决定了它具有特殊的电子能带结构和导电性。
2. 电子性质碳纳米管的电子性质与其晶体结构密切相关。
由于碳原子的sp2杂化，使得碳纳米管的能带结构呈现出导电性。
根据不同的晶体结构和排列方式，碳纳米管可以是导电性或者半导体性。
在导电性碳纳米管中，电子可以自由传导，呈现出金属的导电特性。
而在半导体性碳纳米管中，电子的运动受到限制，可以通过调节外界电场或引入掺杂等手段来改变其导电性质。
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・建筑材料及应用・文章编号:100926825(2007)3320174202碳纳米管的制备工艺与生长机理收稿日期:2007206219作者简介:朱宝华(19772),男,重庆交通大学硕士研究生,重庆 400074朱宝华摘 要:针对碳纳米管的独特结构和性能,介绍了电弧法、激光蒸发法和化学气相沉积法三种制备碳纳米管的方法,并建立不同的物理模型,详细阐述了以上三种方法的生长机理,为研究碳纳米管技术提供了参考借鉴。
关键词:碳纳米管,生长机理,制备工艺中图分类号:TU551文献标识码:A 碳纳米管(简称CN Ts )自1991年由Iijima 发现以来,立即受到全球科学家的关注,很快就变成研究最多的纳米材料。
碳纳米管分为单壁和多壁两种,由于多壁碳纳米管结构的复杂性,单壁碳纳米管作为理论计算的研究对象,根据形成碳纳米管的石墨面的卷曲方式,它可以分为非螺旋型和螺旋型两类,对于非螺旋型结构,管壁上原子六元环碳链的排列方向平行于管轴时为“椅式”结构,而当其排列方向垂直于管轴则为“齿式”结构。
实际上对于大多数碳纳米管而言,管壁上任何碳原子六元环链的排列方向大都既不平行也不垂直于碳纳米管的轴线方向,而是相对于碳纳米管的轴线方向具有一定的螺旋角,碳六元环以这样的方式排列形成的纳米管就是螺旋型的碳纳米管。
螺旋型的碳纳米管具有手性的区别,因此也被称为具有“手性”结构的碳纳米管。
碳纳米管的管状结构和较大长度直径比,使其成为理想的和有前途的准一维材料,而且理论预言这种纯碳分子所构成的直径最细、结构多变的纳米管具有很多奇异的性质,必将在纳米材料科学、分子电子器件及纳米生命科学中发挥重要作用。
1 单壁碳纳米管的制备1.1 电弧法电弧是一种气体放电现象,当电极两端的电流功率较大时,电极间的气体被击穿,产生几千度甚至上万度的高压,电能在瞬间转化为光能和热能。
将石墨棒作阳极插入反应室,与室内已装有的石墨棒(或短铜棒)阴极接触产生电弧后,在电弧区生成的碳纳米管落下,沉积在筒的底部,反应室内充满液氮。
此法的突出优点在于液氮提供保护性气氛及缓冲气源,使得产物在惰性气氛下易保存输运,避免了复杂的真空密封装置。
1993年,S ・Iijima 等人就是首次用此方法成功合成单壁碳纳米管。
1.2 激光蒸发法激光蒸发法制备单壁碳纳米管是将一根金属催化剂和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。
当炉温升到1473K 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,这些气态碳和4 混凝土的早期养护实践证明,混凝土常见的裂缝,大多数是不同深度的表面裂缝,其主要原因是温度梯度造成寒冷地区的温度骤降也容易形成裂缝。
因此说混凝土的保温对防止表面早期裂缝尤其重要。
从温度应力观点出发,保温应达到下述要求:1)防止混凝土内外温度差及混凝土表面梯度,防止表面裂缝。
2)防止混凝土超冷,应该尽量设法使混凝土的施工期最低温度不低于混凝土使用期的稳定温度。
3)防止旧混凝土过冷,以减少新旧混凝土间的约束。
混凝土的早期养护,主要目的在于保持适宜的温湿条件,以达到两个方面的效果:a.使混凝土免受不利温、湿度变形的侵袭,防止有害的冷缩和干缩。
b.使水泥水化作用顺利进行,以期达到设计的强度和抗裂能力。
适宜的温湿度条件是相互关联的。
混凝土的保温措施常常也有保湿的效果。
从理论上分析,新浇混凝土中所含水分完全可以满足水泥水化热的要求而有余。
但由于蒸发等原因常引起水分损失,从而推迟或防碍水泥的水化,表面混凝土最容易而且直接受到这种不利影响。
因此混凝土浇筑后的最初几天是养护的关键时期,在施工过程中应切实重视起来。
5 结语以上对混凝土的施工温度与裂缝之间的关系进行了理论和实践上的初步探讨,虽然学术界对于混凝土裂缝的成因和计算方法有不同的理论,但对于具体的预防和改善措施意见还是比较统一,同时在实践中的应用效果也是比较好的。
在施工中要靠多观察、多比较,出现问题后多分析、多总结,结合多种预防处理措施,混凝土的裂缝是完全可以避免的。
参考文献:[1]李惠强.高层建筑施工技术[M ].北京:机械工业出版社,2005.5.[2]赵建光.浅谈施工质量管理的若干要素[J ].建筑学报,2004(2):31233.R easons of temperature and cracks during construction of pouring concreteL I Feng 2jun JIANG Chu ang 2feng CHENG XiaAbstract :It analyzes the reasons of cracks in pouring concrete.Through analysis of temperature stress ,it brings forward some measures of controlling temperature and protecting cracks ,and elaborates the early maintaining of concrete ,s o as to av oid the happening of concrete cracks.K ey w ords :pouring concrete ,temperature cracks ,early maintaining ,temperature stress・471・第33卷第33期2007年11月 山西建筑SHANXI ARCHITECTURE Vol.33No.33Nov. 2007 催化剂粒子被气流从高温区带向低温区,在催化剂的作用下生长成为单壁碳纳米管。
1.3 化学气相沉积法(又称催化裂解法)化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition ,简称CVD 法),就是使含碳气体(如乙烯、乙炔、CO 、甲烷、丙烯等有机气体)在一定温度下(一般为600℃～1000℃),在过渡金属Fe ,Co 或Ni 等催化剂作用下进行催化分解,或者直接热分解含Fe ,CO 或Ni 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。
而且,采用CVD 法可以制备碳纳米管阵列,这也是CVD 法的一大优势。
尽管CVD 法制备的碳纳米管会有一些缺陷,但是通过高温热处理就能改善碳纳米管的结构。
相对于前两种方法,化学气相沉积法则由于其设备简单,反应温度低,操作方便,反应过程易控以及能大量制备而成为了目前最常用的方法。
按照催化剂加入或存在方式又可分为3种方法:基体法、喷淋法、悬浮法。
所谓基体法是用硅或石墨作基体,将催化剂附着于基体上,以这些催化剂颗粒作“种子”,高温下通入含碳气体使之分解并在催化剂颗粒一侧生长出碳纳米管。
因碳纳米管只在催化剂基体上生长,故产量不高,难于工业化生产。
所谓喷淋法就是将催化剂溶解于液体碳源中,在反应炉温度达到生长温度时,由于催化剂与碳氢化合物的比例难以优化,喷撒过程中催化剂颗粒分布不均,喷撒的催化剂颗粒很难以纳米量级的形式存在,因此碳纳米管所占比例少,而且常有大量碳黑生成。
悬浮法采用直接加热催化剂前驱体,使之以气体形式引入反应室,因其单位时间内产量较大,可连续生产。
2 生长机理2.1 弧光放电法制备碳纳米管的生长机理1)封闭生长机理。
Endo 等认为,碳纳米管在生长过程中始终保持两端封闭,其生长是通过来自等离子体中的碳原子簇插入反应活性较高的两封闭端,即C 2可以插入六元环而产生两个相邻的五元环,然后五元环在石墨网中扩散,发生结构重排而形成更加稳定的结构。
封闭生长机理可以成功地解释单壁管的生长过程,但不能解释多壁管的生长和结构。
因为既然碳原子簇必须从外层扩散到内层,其生长速率不可能相同,内层和外层的长度也就不可能相同。
2)开口生长机理。
Iijima 依据实验获得开口的碳纳米管,提出了开口生长机理,他认为碳管在生长过程中始终保持开口,开口处有较高反应活性的悬空键(不饱和键),吸附等离子体中的碳原子从而生长,且内外层管以同样速率生长。
该生长机理能解释通过透射电镜观察到的所有碳纳米管的结构特征,可以成功地解释碳纳米管的螺旋性。
3)电场诱导生长模型。
Smalley 认为,在电弧放电条件下,两电极间充满浓度很高的等离子体,对两电极空间起屏蔽效应。
阳极由于受到电子轰击和等离子体辐射,其温度很高(比阴极要高),蒸发石墨电极而形成自由碳原子,在温度低的阴极表面上沉积。
阴极表面较高的电压降产生的电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CN Ts 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。
2.2 激光烧灼法制备碳纳米管的生长机理Hatta 等根据激光蒸发石墨的碳蒸汽中存在大量的环状碳原子簇,提出了一个关于激光烧灼法制备碳纳米管的机理模型,在碳纳米管的生长过程中,首先碳原子簇与环状碳原子簇聚合,定向生长成两端带有悬空键且键角约为1200的较短单层管。
作为原料的环状碳原子簇的构型决定了形成碳纳米管的结构,如反向反式的碳原子簇环生长形成锯齿结构的碳纳米管;椅式型碳纳米管是由顺位反式的碳环生长成的。
为了形成圆柱面结构的单环碳原子数目必须是偶数,碳原子数目为奇数的单环往往形成锥形面结构或多面体微粒或直径较大的管,随后通过碳原子簇的聚集迅速地形成多壁碳纳米管,此时碳纳米管的表面具有弱的共振效应;在碳纳米管的生长过程中,碳纳米管的六元环网络发生畸变形成五元环,从而在碳纳米管的两端形成碳帽。
2.3 化学气相沉积法制备碳纳米管的生长机理关于CVD 方法制备碳纳米管的生长机理,目前普遍的观点认为碳纳米管的生长分为两个步骤:首先吸附在催化剂上的碳氢分子裂解产生碳原子,然后碳原子通过扩散到催化剂另一面沉积形成碳纳米管。
目前,生长机理研究基本上是根据实验所获得的碳纳米管的结构特征推测其生长过程,因此这方面的研究尚处于初步阶段。
为了深入研究碳纳米管的生长过程,应采用先进的分子动力学研究方法和研究手段,如:分子束技术、飞秒技术以便在分子水平上研究碳纳米管的生长过程。
3 结语作为一种新兴的纳米材料,碳纳米管表现出了极高的科研价值和工业价值。
然而在目前,在碳纳米管的合成方面,人们还并不了解操纵碳纳米管生长的根本机理,也没有掌握获得结构参数(手性和直径)确定一致的碳纳米管的有效技术。
因此,围绕碳纳米管技术还有许多尚未解决的命题。
参考文献:[1]陈泉水.一维铜锌铝合金纳米材料[M ].北京:化学工业出版社,2006.[2]曹章铁.碳纳米管场发射阴极的制备及优化[D ].上海:华东师范大学,2006.[3]陈 蓓.碳纳米管的可控制备及生长机理的研究[D ].汕头:汕头大学,2005.[4]魏任重.碳纳米管制备方法的比较研究[D ].南昌:南昌大学,2005.[5]Endo M ,KrotoH.W.Formation of Carbordibers[J ].Phys.Chem ,1992(96):694126949.[6]Saito Y ,Y oshikawa T ,Inagaki ,et al.Growth and Structure of Graphitic Tubues and Polyhedral Particles in Are 2discharge [J ].Chem.Phys.Lett.1993,204(324):2,72282.[7]S.Iijima.Holical microtubeles of graphitic carbon [J ].Nature ,1991(354):56258.Preparation process and grow th mechanism carbon nanotubesZHU B ao 2hu aAbstract :According to particular structure and performances of carbon nanotubes.Three preparation methods of carbon nanotubes are intro 2duced ,which include arc 2discharge method ,chemical vapour deposition method and laser vaporization method ,and it builts three kinds differ 2ent physics models ,expounds the growth mechanism of three kinds methods ,it brings the consult for researching carbon nanotube.K ey w ords :carbon nanotube ,growth mechanism ,preparation process・571・ 第33卷第33期2007年11月 朱宝华:碳纳米管的制备工艺与生长机理。