碳纳米管合成及其应用ppt课件.ppt

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1、碳纳米管合成及其应用主要内容:碳纳米管的背景介绍碳纳米管的发现碳纳米管结构碳纳米管的独特性能碳纳米管的制备应用前景碳纳米管的背景介绍“贵比黄金，细赛人发”的碳纳米管(carbonnanotube简写为CNT)是由石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维”。管身由六边形碳环微结构单元组成，端帽部分由含五边形碳环组成的多边形结构，是一种纳米级的一维量子材料。由于它们的直径基本都在纳米尺度，所以称其为纳米碳管。金刚石，C60，石墨，（10，10）型纳米碳管FromNanotubeimagegalleryatRiceUniversity碳纳米管的发现在1991年日本NEC公司基础研究实验室

2、的电子显微镜专家饭岛(Iijima)在高分辨透射电子显微镜下检验石墨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“Carbonnanotube”，即碳纳米管,又名巴基管。碳纳米管结构1)按形态分变径型普通封口型洋葱型海胆型竹节型念珠型纺锤型螺旋型其他异型2)碳纳米管依其结构特征可以分为三种类型：扶手椅式纳米管，锯齿形纳米管和手型纳米管。扶手椅式纳米管锯齿形纳米管3)碳纳米管按照石墨烯片的层数分类碳纳米管按照石墨烯片的层数分类可分为：单壁碳纳米管（Single-wallednanotubes,SWNTs）和多壁碳纳米管（Multi-walled

3、nanotubes,MWNTs）。与多壁管相比，单壁管是由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。单壁碳纳米管直径为1-6nm多壁碳纳米管直径nm→μm碳纳米管的性能碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。1）力学性能碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。美国宾州州立大学的研究人员称，碳纳米管的强度比同体积钢的强度高100倍，重量却只有后者的1/6到1/7。碳纳米管因而被称“超级纤维”。碳纳米管的性能2）导电性能

4、碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTs的管径大于6nm时，导电性能下降；当管径小于6nm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。有报道说Huang通过计算认为直径为0.7nm的碳纳米管具有超导性，尽管其超导转变温度只有1.5×10-4K，但是预示着碳纳米管在超导领域的应用前景。3）传热性能碳纳米管具有良好的传热性能，CNTs具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料

5、。另外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管,该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善。4)储氢性能1997年，ACDillon等报道了单壁纳米碳管的中空管可储存和稳定氢分子，引起广泛关注，相关的实验研究和理论计算工作也相继展开，初步结果表明：纳米碳管是一种很有发展前途的储氢材料。单壁纳米碳管的吸氢过程研究发现，氢以很大密度填充到单壁纳米碳管的管体内部以及单壁纳米碳管束之间的孔隙，因此单壁纳米碳管具有极佳的储氢能力，据推测单壁纳米碳管的储氢量可达10％（重量比）碳纳米管的生产方法1)电弧放电法基本原理：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

6、，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。优点：使用这一方法制备碳纳米管技术上比较简单缺点：1.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。2.该方法反应消耗能量太大电弧放电法理想的工艺条件：氦气为载气气压60—50Pa电流60A～100A电压19V～25V电极间距1mm～4mm产率50％Iijima等生产出了半径约1nm的单层碳管电弧法是制备单层碳

7、纳米管最常用的办法之一。氦气保护石墨电弧法阳极-面积较小的石墨棒（石墨粉和催化剂组成）阴极-面积较大的石墨棒氢气保护石墨电弧法氢电弧法优点:氢气为缓冲气含硫化合物为生长促进剂大阳极，阴极在其上方并与其成一定角度电极角度可控可半连续制备制备纳米碳管的其它方法：等离子体喷射沉积法凝聚相电解生成法化学气相沉积法激光烧蚀法有机物催化热解法17碳纳米管的应用碳纳米管的应用前景1)超级电容器碳纳米管比表面积大、结晶度高、导电性好，微孔大小可通过