CVD制备螺旋碳纳米管

Fig.2. 在球磨法制备Coacetate/13X 催化剂上生长的碳纳米管的TEM 图像
2. 合成方法
Fig.3. 在球磨法并通过氨气气氛处 理制备Fe-Coacetate/13X催化剂上生 长的碳纳米管的TEM图像
Fig.4. 在球磨法并通过氨气气氛 处理制备Fe-Conitrate/13X催化剂上 生长的碳纳米管的TEM图像
4. 展望
1，对于螺旋碳纳米管的形貌精确控制；产量不够大
2，环状，链状碳纳米管的研究
参考文献
[1]S. Iijima: Nature, 354, 56 (1991). [2]Dó Fejes, Zoltá Né ra n meth and Klá Herná React.Kinet.Catal.Lett. Vol. 96, No. ra di*. 2, 397−404 (2009) [3]Florian Nitze , Edy Abou -Hamad ,ThomasWa˚ gberg . CARBON 49 (2011) 1101 – 1107 [4]Fonseca A, Hernadi K, Nagy JB, Lambin Ph, Lucas A. Carbon 1995;33:1759–75. [5] Ihara S, Itoh S. Carbon 1995;33:931–9 [6]H. Hou, Z. Jun, F. Weller, etal. Chemistry of Materials. 2003,15 (16):3170-3175. [7]Ahmed Shaikjee a , b, Neil J. Coville. Journal of Advanced Research (2012) 3 , 195 – 223 [8]Jian Xian, Man Jiang, Zuowan Zhou, Qun Zeng, Jun Lu, Dingchuan Wang. ACS nano. 2012,6(10):8611-8619 [9]Dora Fejes, Zoran P. Popovi´. ECS Solid State Letters , 2 (3) M 21-M23 ( 2013)
2. 合成方法
c. 催化剂的影响
影响主要包括三方面： 1. 催化剂的制备方法的影响；
2. 不同离子的催化剂影响；
3. 不同催化剂基底的影响；
2. 合成方法
表1 不同制备方法制备螺旋碳纳米管
催化剂/基底
制备方法
碳的产量
螺旋形成
Coacetate/CaCO3
结晶
0.0000
无
Coacetate/CaCO3
浸渍
0.3258
有
Coacetate/CaCO3
球磨
0.1236
无
2. 合成方法
表2 不同离子的催化剂制备螺旋碳纳米管
催化剂/基底 Coacetate/CaCO3 Fe-Coacetate/CaCO3 Conitrate/CaCO3 Fe-Conitrate/CaCO3 制备方法 碳的产量 球磨 球磨 球磨 球磨 0.1236 0.4559 0.5882 1.8124 螺旋形成 无 无 无 有
1. 研究背景
b. 分类 • 螺旋数： 单螺旋 双螺旋 三螺旋 • 螺旋形貌： 发辫型 DNA螺旋型 绕曲型
图1 各种类型的螺旋碳纳米管 Journal of Advanced Research. 2012, 3, 195.
1. 研究背景
c. 独特的性能
形状特性
：聚合物复合增强 很高的本征振动频 率：微质量传感器 良好的力学机械性 能：机械能存储器，
精密弹簧
左右旋手性
图2 螺旋碳纳米管（coiled carbon nanotubes , CCNTs）
2 合成方法
石墨电弧法： 在惰性气体氛围中，通过电弧放电将石墨电极加热到 3000℃以上，从阴极物质中收集得到螺旋碳纳米管的方法。 优点：结构完整、无缺陷； 缺点：杂质多，产量低。
激光蒸发法： 激光蒸发法是指在石墨靶中加入催化剂颗粒，将石墨靶 放入加热炉中，在惰性气体保护下，当炉温高于1200℃时， 用激光束轰击石墨靶表面，在催化剂的作用下生长成螺旋碳 纳米管的过程。 优点：质量较好，无需纯化处理； 缺点：产量低。
2 合成方法
化学气相沉积法(CVD): 化学气相沉积法是以有机气体为碳源，过度金属颗粒为 催化剂，在600-1200℃温度范围内催化裂解含碳气体合成螺 旋碳纳米管。 优点：产量更高，最为常用，研究最多方法； 缺点：对催化剂的制备要求高。
2. 合成方法
a. 催化剂的制备 方案1：结晶法 醋酸钴
60℃
2. 合成方法
表3 不同催化基底制备螺旋碳纳米管
催化剂/基底
制备方法 碳的产量
螺旋形成
Coacetate/CaCO3
Coacetate/13X
浸渍
浸渍
0.5126
0.3258
有
有
Coacetate/silicagel
浸渍
0.2479
有
2. 合成方法
Fig.1. 在浸渍法制备Coacetate/13X 催化剂上生长的wenku.baidu.com纳米管的TEM 图像
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CVD制备螺旋碳纳米管
主要内容
1. 研究背景 2. 合成方法 3. 生长机理 4. 展望
1. 研究背景
a. 发展历史 在1953年，W. Davis首次报道了螺旋碳纤维； 1991年，日本S. Iijima通过高分辨透射电子显微镜意外地 发现了碳纳米管； 1990s，碳纳米管的发现，非常规形貌的碳材料(如螺旋状 和弯曲状)的研究更加受到关注； 1992年，B. L Dunlap和S. Ihara相继通过理论计算、分子模 拟等手段推测出螺旋结构碳纳米管的存在； 1994年，X,B. Zhang首次通过实验观测到螺旋碳纳米管； 近年来一些研究小组开展了一系列基于螺旋碳纳米管制备 和机理的研究，并开发了不同领域的应用前景。
醋 酸 钴
Fe-Coacetate/13X
2. 合成方法
a. 催化剂的制备
方案3：球磨法
球磨
NH3气氛 处理
Fe-Coacetate/ 13X 沸 石
催化剂
Fe-Conitrate/ 13X
沸 石
2. 合成方法
b. 螺旋碳纳米管的合成 载气，N2：500 sccm 反应30 min 720℃
催化剂 碳源，C2H2:10 sccm 图3 CVD制备螺旋碳纳米管的实验装置
搅拌
CaCO3载体 饱和溶液 催化剂晶粒
0℃水浴
Coacetate/CaCO3
过滤干燥，750℃
Coacetate/CaCO3(750℃)
Coacetate/CaCO3
2. 合成方法
a. 催化剂的制备 方案2：浸渍法 CaCO3载体 碱性溶液
调节pH=8-9
Coacetate/CaCO3
13X 沸石载体
醋酸 钴溶 液
悬浊 液
浸渍
Coacetate/13X沸石
硅胶载体
Coacetate/硅胶
硝 酸 铁
13X沸石
硝 酸 钴
Coacetate/ 13X CaCO3 乙 酰 丙 酮 铁 沸 石 Fe-Conitrate/13X Conitrate/13X 沸 石 沸 石 Coacetate/13X Fe-Conitrate/CaCO3 Conitrate/CaCO3 Fe-Coacetate/CaCO3 Coacetate/CaCO3 沸 石 沸 石
图4 keen结构的形成
Carbon 1995;33:1759–75
.
3. 生长机理
随着五边形和七 边形周期性的并入到 六边形的碳纳米管框 架中，五边形在外侧 ，七边形在内侧，使 得螺旋和环形得以产 生。如图5所示。
图5 嵌有五边形和七边形的螺旋碳纳米管 模型
Carbon 1995;33:931–9
3. 生长机理
比利时A. Fonseca等人 提 出 了 keen 结 构 的 概 念 。 keen结构的形成在于石墨层 六元环结构中嵌入了五边形 和七边形，五边形和七边形 的出现使得石墨层的生长方 向发生改变，就像人的膝盖 发生弯曲一样，所以称之为 keen结构。如图4所示，一个 五边形连接在凸点和一个七 边形连接在凹点，形成一个 转折。
3. 生长机理
如图6所示,当碳源气 体受热裂解时,形成一种碳 原子的二聚体C2, C2攻击 、破坏碳六元环结构,并插 入到碳层中,一个C2的插入 可以形成两个碳七元环和 两个碳五元环,之后新产生 C2结构继续攻击碳七元环 、碳五元环以及部分结构 不稳定的碳六元环,随着C2 图6 形成碳七元环和碳五元环的C2插入机制 结构的不断插入,原来的碳 片层逐渐发生弯曲,最终形 示意图 Chemistry Of Materials. 2003,15(16):3170-3175 成螺旋状结构。