碳纳米管的制备与应用ppt课件
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劣势：杂质多
16
3.3.2 等离子体增强化学气相沉积工艺 (Plasma-enhanced CVD, PECVD)
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.
17
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
2001. Cambridge: Cambridge University1P8 ress.
单壁碳纳米管束
SCIENCE VOL. 273 26 JULY115 996
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
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
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
……
19
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
20
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
化学方法：
电化学氧化法
+
微波加热氧化法
管壁由单石墨片层卷绕而成， 两侧由富勒烯半球封端
4
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
chiral型SWNT5
液相氧化法
氢化作用提纯法
Nat.Mater. 2015,14:1087-1098.
21
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
22
主要参考文献
1. Ali Eatemadi, Hadis Daraee, Hamzeh Karimkhanloo, et al. Carbon nanotubes: properties, synthesis, purification, and medical applications[J]. Nanoscale Research Letters, 2014, 9:393
纯化的SCNTs扫描电 子显微镜图
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. 111,41997
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
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
6
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
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。
3
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
石墨电弧法制备纳米碳管装置图
12
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
13
3.1 电弧法
b
16-60 ~2
碳纳米管西装 ——防弹衣
7
2 碳பைடு நூலகம்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
8
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
9
2 碳纳米管的应用
力学领域+电磁学
Science, Vol. 101, No. 11, 2008
碳纳米管的制备与应用
汇报成员： 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
1
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
2
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。
+复合材料 +载体 纳米管阵列 二维、三维 排列组合 ……
10
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 化学气相沉积法（CVD法）
常用
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
11
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
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3.3.2 等离子体增强化学气相沉积工艺 (Plasma-enhanced CVD, PECVD)
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.
17
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
2001. Cambridge: Cambridge University1P8 ress.
单壁碳纳米管束
SCIENCE VOL. 273 26 JULY115 996
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
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
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
……
19
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
20
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
化学方法：
电化学氧化法
+
微波加热氧化法
管壁由单石墨片层卷绕而成， 两侧由富勒烯半球封端
4
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
chiral型SWNT5
液相氧化法
氢化作用提纯法
Nat.Mater. 2015,14:1087-1098.
21
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
22
主要参考文献
1. Ali Eatemadi, Hadis Daraee, Hamzeh Karimkhanloo, et al. Carbon nanotubes: properties, synthesis, purification, and medical applications[J]. Nanoscale Research Letters, 2014, 9:393
纯化的SCNTs扫描电 子显微镜图
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. 111,41997
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
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
6
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
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。
3
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
石墨电弧法制备纳米碳管装置图
12
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
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3.1 电弧法
b
16-60 ~2
碳纳米管西装 ——防弹衣
7
2 碳பைடு நூலகம்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
8
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
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2 碳纳米管的应用
力学领域+电磁学
Science, Vol. 101, No. 11, 2008
碳纳米管的制备与应用
汇报成员： 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
1
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
2
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。
+复合材料 +载体 纳米管阵列 二维、三维 排列组合 ……
10
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 化学气相沉积法（CVD法）
常用
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
11
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