碳纳米管 - 修改课件.ppt

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1、碳纳米管专题CarbonNano-tubes1碳纳米管的发展背景2碳纳米管的结构3碳纳米管的制备与后处理方法4碳纳米管的基本性质5碳纳米管的相关应用1碳纳米管的发展背景背景：纳米材料的发展1984年德国萨尔兰大学Gleiter以及美国的阿贡实验室的Sieyel相继制得了纯物质的纳米细粉。Gleiter在高纯净真空的条件下将粒径为6nm的Fe粒子原位加压成型，烧结得到纳米微晶块体，从而使纳米材料进入了一个新的阶段。1990年7月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。发现

2、：1991年，日本学者Ijima和美国的Bethune等人在掺加过渡金属催化剂的石墨电极间起弧放电，并在制备产物中分别发现了单壁纳米管。研究结果：理论预计该材料具有优异的力学、电学、磁学等性能，极具理论研究和实际应用价值，因而激起了国内外学者的极大兴趣，碳纳米管的研究成为材料界以及凝聚态物理研究的前沿和热点。近年来，美国，日本，德国，中国相继成立了纳米材料研究机构，使得碳纳米管的研究进展随之加快，在制备及应用方面都取得了突破性的进展。2碳纳米管的结构sp杂化（英语：sphybridization）是指一个原子同一

3、电子层内由一个ns轨道和两个np轨道发生杂化的过程。原子发生sp杂化后，上述ns轨道和np轨道便会转化成为三个等价的原子轨道，称为“sp杂化轨道”。三个sp杂化轨道的对称轴在同一条平面上，两两之间的夹角皆为120°。sp杂化一般发生在分子形成过程中。杂化发生前，原子最外层s轨道中的一个电子被激发至p轨道，使将要发生杂化的原子进入激发态；之后，该层的s轨道与三个p轨道中的任意两个发生杂化。此过程中，能量相近的s轨道和p轨道发生叠加，不同类型的原子轨道重新分配能量并调整方向。sp2杂化轨道含1/3s和2/3p的成分。

4、一个s轨道和两个p轨道杂化，形成3个完全相同的sp2杂化轨道。其3个轨道间夹角为120°，呈平面正三角形。例如实验测知BF3的4个原子在同一平面上，键角∠FBF等于120°。B原子的外层电子构型是2s22p1，成键时1个2s电子激发到1个空的2p轨道上，与此同时，1个s轨道和2个p轨道“混合”起来成为3个杂化轨道，分别与3个F原子成键2碳纳米管的结构碳纳米管是单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管。每层纳米管是一个由碳原子通过SP2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形平面组成的圆柱

5、面。其平面六角晶胞边长为2.46Å，最短的碳碳键长1.42Å。分类：根据制备方法和条件的不同，碳纳米管存在多壁碳纳米管(MWNTs)和单壁碳纳米管(SWNTs)两种形式。(MWNTs)的层间接近ABAB堆垛，其层数从2～50不等，层间距为0.34±0.01nm，与石墨层间距(0.34nm)相当。MWNTs的典型直径和长度分别为2～30nm和0.1～50µm，SWNTs典型的直径和长度分别为0.75～3nm和1～50µｍ。碳纳米管的高分辨电子显微镜照片，从左到右为SWNT，MWNT（包含2层、3层、4层石墨片层）F

6、romRef.3,63碳纳米管的制备纯化与表面修饰（1）碳纳米管的制备方法碳纳米管的制备方法很多，到目前为止，人们尝试了多种制备方法，如石墨电弧法、热解法、激光蒸发法、等离子体法、化学气相沉积法（催化分解法）等等。其中，电弧放电（arcdischarge）、激光蒸发（laserablation）和化学气相沉积（Chemicalvapordeposition,CVD）是碳纳米管的主要制备方法。当今世界公开报道高质、高效、连续大批量工业化生产碳纳米管的实例：沸腾床催化法、化学气相沉积法碳纳米管结构示意图(A)椅形单壁

7、碳纳米管(B)Z字形单壁碳纳米管(C)手性单壁碳纳米管(D)螺旋状碳纳米管(E)多壁碳纳米管截面图（A）电弧放电法：其方法及设备与制备Ｃ60的方法和设备都较相似。阴极采用厚约10mm，直径约为30mm的高纯高致密的石墨片，阳极采用直径约为6mm的石墨棒，整个系统保持在气压约104Pa的氦气气氛中，放电电流为50Ａ左右，放电电压20Ｖ。通过调节阳极进给速度，可以保持在阳极不断消耗和阴极不断生长的同时，两电极的放电端面距离不变，从而可以得到大面积离散分布的碳纳米管，同时还可能产生碳纳米微粒。特点：产量很低，仅局限在实

8、验室中应用，不适于大批量连续生产。(B)热解法：这种方法也很简单，将一块基板放进加热炉里加热至600℃，然后慢慢充入甲烷一类的含碳气体。气体分解时产生自由的碳原子，碳原子重新结合可能形成碳纳米管。优点：最容易实现产业化，也可能制备很长的碳纳米管。缺点：制得的碳纳米管是多壁的，常常有许多缺陷。与电弧放点法制备的碳纳米管相比，这种碳纳米管抗张强度只有前者的十分之一。（C）化学