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碳纳米管的制备及应用进展 碳纳米管简介 碳纳米管制备 碳纳米管简介 纳米碳管研究是富勒烯(C60,C70...)继续，1991年，理论预计纳米碳管具有许多的奇特电学性能，几乎同时NEC公司S Iijima在高分辨电子显微镜下观察采用电弧法制备的富勒烯中发现了一种管状结构，经过研究表明它们是同轴多层富勒管，被称为多壁纳米碳管，随后NEC公司的TW Ebbesen和PM Ajayan找到大量制备MWNT方法。 它韧性很高，导电性极强，场发射性能优良，兼具金属性和半导体性，强度比钢高100倍，比重只有钢的1/6。虽然成分和石墨一样，但碳纳米管潜在用途十分诱人 。 碳纳米管以它独特的一维管状分子结构开辟了纳米材料的新领域。经过短短几年的发展，它已成为富勒烯碳研究领域的重要组成部分。单层碳纳米管的发现和应用被世界权威杂志Science评为1997年度人类十大科学发现之一。 碳纳米管制备 电弧法 1991年，Iijima在氩气氛下，通过电弧放电得到直径在4~30nm之间不等的碳纳米管，之后NEC同事Ebbesen和Ajayan也在氦气下得到碳纳米管并于1992年报告了大规模合成碳纳米管的方法。1993年，Tijima教授与IBM实验室的Bethune教授改进了电弧法，他们在阳极置入催化剂金属铁或钴，成功地在放电室器壁中发现了单层碳纳米管。 在催化裂解法制备碳纳米管的工艺中,常用作催化剂的金属元素有Fe、Co、Ni等,研究表明,碳纳米管的直径很大程度上依赖于催化剂颗粒的直径,因此通过催化剂种类与粒度的选择及工艺条件的控制,则可获得纯度较高,尺寸分布较均匀的碳纳米管,并且该工艺适于工业大批量生产。催化裂解法用于制备SWCNTS的研究近两年十分活跃，目前，科学家主要想得到活性点密度高、表面积和孔隙体积大的催化剂和载体。CVD法制备SWCNTS尽管可以获得高产率、纯净可控的SWCNTS，但其应用及商业化生产的最大障碍就是成本高，前处理工艺复杂，制备条件苛刻，温度通常高达700～800℃，催化剂及载体的处理耗时费力。 固相热解法 采用亚稳非晶碳氮化硅粉为原料，将其放入BN坩埚中再放入石墨炉体内。系统抽空后再充入1×105Pa的N2，密闭系统。然后升温加热至一定温度。保温一段时间后冷却到室温，热解样品表面即有碳纳米管生成。本法具有过程稳定、不需催化剂、原位生长等多种优点，但因为受到原料的限制，使其生产不能上规模和连续化。 离子（电子束）辐射法： Chernzatonskii等通过电子束蒸发覆在Si基体上的石墨合成了直径为10~20nm的向同一方向排列的碳纳米管。Yamamoto在高真空条件下（4×10-5pa）下通过氩离子束对非晶碳进行辐照得到了管壁有10~15层厚的碳纳米管。 火焰法： Richter等人通过对乙炔、氧、氩气的混合气体燃烧后的碳黑检测，观察到了附着大量非晶碳的单层碳纳米管。K.Daschowdhury等在苯、乙炔、乙烯同氧惰性气体的混合物燃烧后的碳黑里也发现了纳米级的球状、管状物。对火焰法纳米结构的生长机理目前还没有很明确的解释。 有机溶剂中合成碳纳米管 Synthesis of aligned carbon nanotubes in organic liquids J Mater Res,17(9):2457-2464 Zhang,Y. Gamo,M.N. Nakagawa,K. Ando,T. 目前，人们可以用电弧放电法、激光蒸发法和有机气体催化热解法来大量制备碳纳米管。 但从碳纳米管的基本性质研究和实际应用要求来看，碳纳米管的制备技术仍存在三个方面的难题: 第一，目前的样品多呈杂乱分布，碳纳米管之间相互缠绕，难以分散； 第二，用电弧放电法制备的碳纳米管被烧结成束，束中还存在很多非晶碳等杂质，这样使得测量的各种物理和化学性质的结果比较分散，在导电性质和力学性质方面的测量结果与理论估计值相差甚远； 第三，目前制备的碳纳米管的长度只有几十微米，（已有厘米长度报道）只能用扫描隧道显微镜和原子力显微镜等非常规方法来测量其物理性能，这给实验测量带来极大困难。 因此，制备出离散分布的高质量碳纳米管，成为人们追求的目标之一。 含有纳米催化剂颗粒的、多孔的二氧化硅的衬底上生长定向碳纳米管。 * * 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Rich