碳纳米管的制备及其导电性的研究定稿.doc

碳纳米管的制备及其导电性的研究 （陕西理工学院 物与电信工程学院 物理1103 陕西 汉中 723000） 指导老师：黄文登 [摘要] 碳纳米管是纳米材料中研究价值最高的材料之一。它的导电性能优于铜，稍逊于超导体，其硬度也与金刚石相当，并且还是已知的弹性模量和抗拉强度最高的材料。由于拥有这些优越性能，可以预见，随着研究领域新的发现碳纳米管的应用领域将会越来越广，其蕴藏的潜在的巨大经济价值将随着人们对它的认识的不断加深而充分体现出来。本文简单介绍了碳纳米管的性能、制备和去杂方法，并且对制备碳纳米管方法的特点进行了相互比较。简要说明了碳纳米管材料在的应用前景。 [关键字] 碳纳米管；制备方法；应用；导电性能 前言 碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料，这就决定了其本身独特的性质。碳纳米管正是因为这些特性，所以才会受到各大领域的广泛应用。比如制备纳米电子仪器的导线、电池里的储电装置等就是运用了本身导电导热性能；同时它拥有良好的柔韧性质轻、易弯曲，可用于航空、航天飞行器的超轻超强结构材料，节省能耗[1]。 现如今石墨电弧法、激光法、催化裂解法等是制备碳纳米管的主要方法，其中运用前两种方法得到的碳纳米管产量低下，不能实现工业化生产；而催化裂解法所需的设备和工艺都比较简单，方便控制，催化时所需温度较低，相对而言节约能源，目前是制备碳纳米管的主流方法。 碳纳米管上碳原子的P电子形成大面积的离域π键，由于显著的共轭效应，碳纳米管具有良好导电性质[2]。将其与一些材料混合后，可以发挥各自的优势，从而得到性能高、成本低的复合电极材料，这将是碳纳米管以后的一个发展方向。 现在碳纳米管未实现真正的工业化应用主要面临两个问题:一是怎样实现碳纳米管的工业化的生产，二是如何进一步探究碳纳米管实际应用问题。要解决这两大难题，就需要研究人员一方面突破原有技术的障碍，探讨出可以降低成本，适用于大规模生产纳米管的技术；另一方面就是再深入研究碳纳米管的应用，使其充分发挥它的特性，在各个领域创造出特有的价值[3-5]。? 随着碳纳米管的逐步的深入研究，人们迫切需求纳米功能器件，为作为该器件基础的碳纳米管等纳米材料提供了广阔的发展空间。在不久的将来，碳纳米管有望在超级电容器、储氢材料、催化剂载体等应用方面取得重大的突破。可以说，碳纳米材料将会成为全世界的科学和经济的领头羊。 碳纳米管的制备方法 1.1电弧放电法 最早使用的制备方法就是电弧放电法，如图1所示，它的具体工艺过程为：将石墨电极置于充满一定压力的惰性气体反应容器中，以在加入催化剂的石墨为阳极，并于阴阳两极激发出电弧，在这个反应过程中，阳极石墨不断被蒸发消耗，与此同时，阴极中沉积出含有碳纳米管、富勒烯、无定型碳等其他形式的碳纳米科颗粒的混合物，经过提纯后可得到碳纳米管[1]。Takizama[2]等人以含金属催化剂的碳棒采用电弧放电法制备碳纳米管，发现用镍-镱作为催化剂，在反应温度为600℃时最高产率可达70%以上，就算是在室温下产率也在30%—40%之间。而同等条件下，在Ar环境中得到的碳纳米管要比He环境中的多，碳纳米管粘附颗粒少、管径较小，在H2环境下制备的碳纳米管的管径较大且不均匀。而当稀释气中混有杂质时，比如CF4中含有F原子，H2中含有O2或H2O分子的情况下，碳纳米管的生长会得到阻碍。实验表明制备碳纳米管的影响因素主要有:惰性气体压力的大小会影响其管径、管长，氧气和水蒸气的存在使制成的碳纳米管存在许多缺陷，并且相互烧结在一起无法进行纯化。 电弧法制备碳纳米管的特点是：操作简单、制得的碳纳米管的管径直、结晶度高，但产量低下，所得的杂质也不利于以后的分离提纯，并且反应期间消耗的能量太大。 图1石墨电弧法工艺装置 1真空计　2真空室　3进料系统　4阳极石墨电极　5真空泵 6.冷却水气流流通　7阴极石墨电极　8冷却水系统　9惰性气体 1.2激光蒸发法? 激光蒸发法是一种制备单壁碳纳米管的有效方法，其原理是将石墨靶（金属催化剂与石墨相互混合）置于石英管中央，紧接着将石英管放于加热炉内。当炉内温度达到1473K?时，往管内充入惰性气体，并将一束激光照射至石墨靶上。在激光的照射下将形成气态碳，反应气流会把这些气态碳和催化剂粒子从高温区送至低温区，然后在催化剂的作用下沉积出碳纳米管[3]。Iijima [4]等发现激光脉冲间隔时间与碳纳米管的产率成正相关关系，然而脉冲间隔时间对单壁碳纳米管的结构不会造成影响。这种方法便于持续生产，但生成的单壁碳纳米管容易缠结，并且所用的激光设备耗费大，成本太高，因此不易推广。 1.3催化裂解法 目前，在所有制备碳纳米管的方法中，催化裂解法是应用较为广泛的一种。该方法的催化剂主要以过渡金属为主，在催化剂的作用下烃类或者含碳氧化合物裂解而形成碳纳米管。其