单壁碳纳米管综述PPT课件

1、主讲内容什么是纳米材料1纳米材料的特性243567单壁碳纳米管的概述制备方法应用前景结语第1页/共25页21.1.纳米材料纳米材料定义：定义： 结构单元的尺寸在结构单元的尺寸在1 1纳米至纳米至100100纳米范围之间的材料，其中纳米范围之间的材料，其中1nm=101nm=10-9-9m m纳米材料大致可分为四类：纳米材料大致可分为四类：纳米粉末纳米纤维纳米膜纳米块体第2页/共25页 纳米材料其纳米粒子出现了许多不同于常规固体的新奇特性，展示了广阔的应用前景，同时它也为常规的复合材料的研究增添了新的内容。第3页/共25页碳纳米管的结构碳纳米管的结构 碳纳米管是石墨管状晶体碳纳米管是石墨管状晶体

2、 是单层或多层石墨片围绕中心按一定是单层或多层石墨片围绕中心按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管 种类：种类： 单壁碳纳米管（单壁碳纳米管（SWNTS） 多壁碳纳米管多壁碳纳米管(MWNTS)长径比长径比1001000，甚至，甚至10000，为线状物，为线状物碳纳米管图示呈线状物第4页/共25页（1）定义：n碳的同素异形体n由单层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管。单壁碳纳米管直径为1-6 nm第5页/共25页（2 2）特）特 性性更为典型的一维结构更为典型的一维结构 无层间交互作用无层间交互作用 超级力学性能（钢的超级力学性能（钢的100100倍）

3、倍） 极强的吸附性能极强的吸附性能 优异的储氢特性优异的储氢特性 更适于研究和理解碳管电子结构和输运现象更适于研究和理解碳管电子结构和输运现象 单壁碳纳米管第6页/共25页4 制备方法（一）石墨电弧法 （二）激光蒸发法 （三）化学气相沉积法 第7页/共25页（一）石墨电弧法石墨电弧法又称直流电弧法，电弧是一种气体放电的现象。电弧法装置图基本原理：基本原理： 电弧室充惰性气体保护，两石墨棒电极靠近，拉起电弧，再拉开，以保持电弧稳定。放电过程中阳极温度相对阴极较高，所以阳极石墨棒不断被消耗，同时在石墨阴极上沉积出含有碳纳米管的产物。 第8页/共25页阴极阳极1mmHe气石墨电弧法装置结构示意图在阴

4、极上沉积出碳纳米管阳极石墨蒸发第9页/共25页氦气为载气，气压 5060Pa，电流60A100A，电压19V25 V，电极间距1 mm4mm，产率50。 第10页/共25页优点： 设备比较简单，产量大，制得的SWNTs管直，结晶度高。缺点： 电弧温度高达30003700 C时, SWNTs被烧结在一起，造成较多的缺陷。 产物中含有较多杂质(如催化剂、无定形炭等)，需进一步系统提纯，电弧的放电过程较难控制，成本较高。烧结在一起的SWNTS高度纯化的SWNTS第11页/共25页激光蒸发法是将一根金属催化剂、石墨混合的石墨靶放置于一长形石英管中间，该管则置于一加热炉内。当炉温升至1200时，将惰性气

5、体充入管内，并将一束激光聚焦于石墨靶上。石墨靶在激光照射下将生成气态碳，气态碳和催化剂离子被气流从高温区带向低温区，在催化剂的作用下生长成单壁碳纳米管。 装置图如下： （二）激光蒸发法图1 激光蒸发法装置图第12页/共25页影响因素：影响因素：催化剂保护压强（3.0 x104一4.5 x 104 Pa）气体（氦气、氩气）激光脉冲时间间隔 （间隔越短，产率越高）激光脉冲功率（功率，直径）激光蒸发法制备工艺流程第13页/共25页激光蒸发法制备单壁纳米碳管的优点是产物纯度高，易于提纯。 不足之处在于设备复杂、昂贵，而且产量不大。第14页/共25页（三）化学气相沉积法化学气相沉积法主要机理：是使含有碳

6、源的气体(如乙炔乙烯等石油气)流经金属催化 剂(如铁、钻、镍等)表面时分解，从而产生出碳纳米管。气相沉积法装置图特点：特点：设备简单、条件易控、能大规模制备、可直接生长在合适的基底上常用气体：常用气体：甲烷、一氧化碳、苯等催化剂：催化剂：Fe、Co、Ni、Mo等以及它们的氧化物1催化剂 2管式炉 3石英 4热电偶 5气体混合 6温度控制第15页/共25页优点：相对于电弧法和激光蒸发法而言,化学气相沉积法因具有合成温度较低 产量高、 纳米碳管的直径及螺旋性易控制等优点而逐渐成为合成纳米碳管的一种主要方法。缺点：产率较低且反应气体不能重复使用第16页/共25页l制备的主要目标：（1）连续批量生产；

7、（2）结构分布均匀且可控；（3）成本低，纯度高;l有待优化的关键因素：（1）碳源；（2）催化剂及载体；（3）制备条件;l符合实际生产、能大批量制备的方法是石墨电弧法和化学气相沉积法。制备方法总结第17页/共25页5 5 应用储氢材料电子领域高强度复合材料领域生物医学领域第18页/共25页储氢材料超级电容器军事方面的复合材料生物传感器第19页/共25页u 优点：作为当今材料科学领域的明星材料之一，SWNTs以独特的结构及性能展示出了它在各个领域的潜在价值。诺贝尔奖获得者的C60发现者之一称：“碳纳米管将是价格便宜，环境友好并为人类创造奇迹的新材料。” 6 碳纳米管的发展前景两面看u缺点：存在几个问题有待解决，：一是，如何实现高质量碳纳米管的连续批量工业化生产。二是，如何更深入研究碳纳米管实际应用问题。例如，在常温常压下如何解析氢气及加快其储氢放氢速度。 另外，碳纳米管对人体存在一定的毒性作用。第20页/共25页 单壁纳米碳管作为纳米材料和碳分子的一个新成员，以其独特的物理和化学性质受到人们日益广泛的关注。人们正在努力探索新方法制备它，以获得高纯度、产量大、管径均匀、缺陷少、操作方便且成本低廉的单壁碳纳米管，来拓宽应用领域。尽管它本身存在一些缺点但仍具有非常光明的前景，随着单壁碳纳米管合成技术和提纯