碳纳米管合成及其应用1课件.pptVIP

碳纳米管合成及其应用 主要内容: 1、碳纳米管的背景介绍 2、碳纳米管的发现 3、碳纳米管结构 4、碳纳米管的独特性能 5、碳纳米管的制备 6、应用前景 碳纳米管的背景介绍 “贵比黄金，细赛人发”的碳纳米管(carbon nanotube 简写为CNT)是由石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维” 。管身由六边形碳环微结构单元组成 ，端帽部分由含五边形碳环组成的多边形结构 ，是一种纳米级的一维量子材料。由于它们的直径基本都在纳米尺度，所以称其为纳米碳管。 金刚石，C60，石墨，（10，10）型纳米碳管 碳纳米管的发现 1991年，日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家Iijima发现了多壁碳纳米管（MultiWalled Carbon Nanotubes ，MWNTs），直径为4-30nm，长度为1um。，最初称之为“Graphite tubular”。 1993年单壁碳纳米管也被发现（Single-Walled Carbon Nanotubes ，SWNTs），直径从0.4nm到3-4nm，长度可达几微米。 1、按形态分： 普通封口型 变径型 洋葱型 海胆型 竹节型 念珠型 纺锤型 螺旋型 其他异型 碳纳米管的结构 扶手椅式纳米管 锯齿形纳米管 2、碳纳米管依其手性可以分为两种类型：扶手椅式纳米管，锯齿形纳米管。 3、碳纳米管按照石墨烯片的层数分类 单壁碳纳米管 直径为1-6 nm 多壁碳纳米管 直径nm →μm 碳纳米管按照石墨烯片的层数分类可分为：单壁碳纳米管（Single-walled nanotubes, SWNTs）和多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes, MWNTs），与多壁管相比，单壁管是由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。 扫描隧道显微镜 X射线衍射 孔结构及比表面积 电子衍射 拉曼光谱 纳米管结构的表征 碳纳米管的原始状态：团聚状态，束状 有机DMF（N，N-二甲基甲酰胺）中超声分散后碳纳米管的SEM（左）与TEM（右） 碳纳米管的性能 碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。　　 1、力学性能　 碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。 美国宾州州立大学的研究人员称，碳纳米管的强度比同体积钢的强度高100倍，重量却只有后者的1/6到1/7。碳纳米管因而被称“超级纤维”。 2、导电性能 　　碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTs的管径大于6nm时，导电性能下降；当管径小于6nm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。有报道说Huang通过计算认为直径为0.7nm的碳纳米管具有超导性，尽管其超导转变温度只有1.5×10-4K，但是预示着碳纳米管在超导领域的应用前景。 3、传热性能 碳纳米管具有良好的传热性能，CNTs具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。 另外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管 ,该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善 碳纳米管的生产方法 1、电弧放电法 基本原理：将石墨电极置于充满氦气或氩气的反应容器中，在两极之间激发出电弧，此时温度可以达到4000度左右。在这种条件下，石墨会蒸发，生成的产物有富勒烯（C60）、无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管。通过控制催化剂和容器中的氢气含量，可以调节几种产物的相对产量。 优点：使用这一方法制备碳纳米管技术上比较简单 缺点：1.生成的碳纳米管与C60等产物混杂在一起，很难得到纯度较高的碳纳米管，并且得到的往往都是多层碳纳米管，而实际研究中人们往往需要的是单层的碳纳米管。2.该方法反应消耗能量太大。 电弧放电法 理想的工艺条件： 氦气为载气 气压 60—50Pa 电流60A～100A 电压19V～25 V 电极间距1 mm～4mm 产率50％ Iijima等生产出了半径约1 nm的单层碳管 电弧法是制备单层碳纳米管最常用的办法之一。 制备纳米碳管的其它方法： 　　 等离子体喷射沉积法　 凝聚相电解生成法　 化学气相沉积法 激光蒸发法 有机物催化热解法 碳纳米管的应用前景 1、 超级电容器 碳纳米管比表面积大、结晶度高、导电性好，微孔大小可通过合成工艺加以控制，是一种理想的电双层