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1、中国科学:技术科学2010年第40卷第7期:727~736《中国科学》杂志社www.scichina.comtech.scichina.comSCIENCECHINAPRESS论文氟化碳纳米管的制备方法及相关性质研究进展①②①②①②①②①②①②①②*李瑀,陈彦芳,冯奕钰,赵生领,吕鹏,袁晓燕,封伟①天津大学材料科学与工程学院,天津300072;②天津市材料复合与功能化重点实验室,天津300072*E-mail:weifeng@tju.edu.cn收稿日期:2009-08-30;接受日期:2009-12-21国家自然科学基金(批准号:50873074,51011140072)、国家重点
2、基础研究发展计划(“973”计划)(批准号:2010CB934700)和天津市自然科学基金(批准号:10JCZDJC22400)资助项目摘要介绍了氟化碳纳米管(F-CNTs)的最新进展.详细讨论了碳纳米管(CNTs)的氟化方法,关键词包括直接氟化法和等离子体处理法,总结了氟化温度和压力、氟源种类以及CNTs种类等因素碳纳米管氟化对F-CNTs的结构和性能的影响.同时还介绍了F-CNTs特有的物理和化学性质及其相关应用等离子处理领域,归纳了F-CNTs目前存在的问题,并对今后的发展方向进行了展望.氟化碳纳米管取代反应[7,8]碳是周期表中唯一具有从零维到三维同素异形素之间形成化学键.碳
3、材料的氟化是通过打破碳体的元素,其中富勒烯和碳纳米管(carbonnanotubes,层π键,并和碳原子结合形成C-F键的一种过程,是CNTs)作为典型的零维和一维材料已被广泛研究.修饰和控制碳材料物理化学性质最有效的方法之一,[1][9][10]1991年Iijima发现CNTs,后来的研究表明CNTs是其能够显著地改善碳材料的表面极性、电导性、[11][12]由石墨层卷曲而成的无缝、中空管体,石墨层一般可以吸附能力和电容性等性能.原材料的结构和性从一层到上百层.其中含有一层石墨层的CNTs称为单质(石墨化程度、结构有序程度、材料的维数等)以及壁纳米碳管(single-walled
4、carbonnanotubes,SWNTs),氟化条件(反应温度、时间和压力,气相反应物的组成[13,14]石墨层多于一层的CNTs称为多壁纳米碳管(multi-等)是影响氟化碳性能的主要因素.氟化CNTwalledcarbonnanotubes,MWNTs).近来,含有两层石(fluorinatedcarbonnanotubes,F-CNTs)具有众多独特墨层的双壁碳纳米管(double-walledcarbonnanotubes,的性能,比如能够在不破坏CNTs管状结构的前提下[15]DWNTs),因其性质介于SWNTs和MWMTs之间而在表面连接上一定量的氟原子,其能够通过亲核
5、[2][16~18]受到广泛重视.不同种类CNTs的结构如图1所示.取代反应对CNTs表面进行进一步修饰,同时[19][20]一维CNTs具有极其优良的力学性能、极高的长径比、F-CNTs在锂电池的阴极材料、固体润滑剂以及[3,4][21]对基质的良好相容性及密度较小等特性,特别适复合物的填充剂等众多领域具有重要的使用价值.于做各种复合材料的增强剂,成为汽车、船舶、航天因此,F-CNTs引起了国内外众多科研人员的重视并[5,6]器、超微型机械等工业领域的理想材料.得以快速的发展.氟气具有极强氧化性,且氟元素拥有最强的电本文主要总结了近年来制备F-CNTs的方法,并负性,因此氟元素能和
6、元素周期表上的绝大多数元对其物理和化学性质以及相应的应用领域进行了介引用格式:LiY,ChenYF,FengYY,etal.Progressofsynthesizingmethodsandpropertiesoffluorinatedcarbonnanotubes.SciChinaTechSci,2010,53:1225−1233,doi:10.1007/s11431-010-0137-x李瑀等:氟化碳纳米管的制备方法及相关性质研究进展[29]也指出F-SWNTs中的氟含量随温度的升高而升高.[30]An等人则进一步计算出不同温度下制备的F-SWNTs的分子式:温度低于200℃时F-
7、SWNTs分子式为C4F,当温度位于250~300℃时其分子式为C2F,当温度高于300℃时分子式为CF.需要指出的是,不同于传统氟化碳材料,F-SWNTs的颜色并不因氟化[31]反应而改变.[32][33]Nakajima等人和Hamwi等人最早通过F2,在不同的温度下制备氟化MWNTs(F-MWNTs)的研究.结果表明当温度高于300℃时,表面出现皱层,MWNTs的管状结构保持良好;当温度高于400℃时,氟化会在MWNTs表面造成微小裂纹,为氟原子渗入
