碳纳米管化学制备技术简述.docVIP

碳 纳 米 管碳纳米管被认为是一种性能优异的新型功能材料和结构材料，世界各国均在制备和应用方面投入大量的研究开发力量，期望能占领该技术领域的制高点碳纳米管要实现工业应用，必须解决碳纳米管的低成本大量制备问题碳纳米管化学气相沉积法技术领域nm）实际上是一种计量单位，1纳米是1米的十亿分之一。纳米技术是指在纳米尺寸范围内，通过直接操纵单个原子、分子来组装和创造具有特定功能的新物质。当物质颗粒小到纳米后，这种物质就可称为纳米材料。纳米材料具有一些意想不到的与常规材料绝然不同的奇异的物理化学性能。如：金属铜是良导体，而纳米铜是绝缘体；硅是半导体，而纳米硅是良导体；陶瓷是易碎品，而纳米陶瓷材料可在室温下任意弯曲；纳米磁材料的磁记录密度是普通磁材料的10倍；纳米碳管的强度是钢的100倍；纳米铁材料的断裂应力比一般铁材料高12倍；纳米铜比普通的铜坚固5倍，而且硬度随颗粒尺寸的减小而增大；气体通过纳米材料的扩散速度比通过一般材料的扩散速度快几千倍。 1、碳纳米管发展历史 1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微专家Iijima在高分辨透射电子显微镜下检验电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Carbon nanotube”，即碳纳米管。碳纳米管具有典型的层状中空结构特征,构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成。管身由六边形碳环微结构单元组成, 端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。虽然在70年代，研究气相热解碳的过程中，已经观察到这种纳米结构的碳，但是没有引起足够的重视，并加以深入研究。1993年S. Iijima和IBM公司的研究小组同时报道了观察到SWNT）。在早期实验中，制备的SWNT产率很低，SWNT的物理性质的研究开始于1995年，Rice大学的Richard Smalley研究小组发现激光蒸发方法可以得到极高产率的SWNT。此后，法国Montpellier大学的Bernier研究小组采用电弧法也可以得到高产率的SWNT。1998年，中国科学院金属研究所成会明研究小组采用催化热解碳氢化合物的方法也得到较高产率的SWNT。由于SWNT结构比较简单，理论研究也比较容易，所以开始了对碳纳米管的广泛研究 技术领域100倍。碳纳米管具有奇异的物理化学性能，如独特的金属或半导体导电性、极高的机械强度、储氢能力、吸附能力和较强的微波吸收能力等，90年代初一经发现即刻受到物理、化学和材料科学界以及高新技术产业部门的极大重视。应用研究表明，碳纳米管可用于多种高科技领域。如用它作为增强剂和导电剂可制造性能优良的汽车防护件；用它作催化剂载体可显著提高催化剂的活性和选择性；碳纳米管较强的微波吸收性能，使它可作为吸收剂制备隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料等。碳纳米管被认为是一种性能优异的新型功能材料和结构材料，世界各国均在制备和应用方面投入大量的研究开发力量，期望能占领该技术领域的制高点。碳纳米管的批量制备 制备目前常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、化学气相沉积法（碳氢气体热解法）固相热解法、激光烧蚀法、辉光放电法和气体燃烧法等以及聚合反应合成法。电弧放电法电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电法生产的碳纤维中首次发现碳纳米管的。电弧放电法的具体过程是：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。使用这一方法制备碳纳米管技术上比较简单，但是生成的碳纳米管与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。此外该方法反应消耗能量太大。近年来有些研究人员发现，如果采用熔融的氯化锂作为阳极，可以有效地降低反应中消耗的能量，产物纯化也比较容易。化学气相沉积法近年来发展出了化学气相沉积法，或称为碳氢气体热解法，在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷。这种方法是让气态烃通过附着有催化剂微粒的模板，在8001200℃的条件下，气态烃可以分解生成碳纳米管。这种方法突出的优点是残余反应物为气体，可以离开反应体系，得到纯度比较高的碳纳米管，同时温度亦不需要很高，相对而言节省了能量。但是制得的碳纳米管管径不整齐，形状不规则，并且在制备过程中必须要用到催化剂。目前这种方法的主要研究方向是希望通过控制模板上催化剂的排列方式来控制生成的碳纳米管的结构，已经取得了一定进展。固相热解法除此之外还有固相热解法等方法。固相热解