碳纳米管CARBON NANOTUBES_应用物理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,CARBON NANOTUBES,应物o8o1 陈智慧,碳纳米管简介,碳纳米管制备,碳纳米管应用,碳纳米管技术的展望,碳纳米管简介,1991,年日本,NEC,公司的饭岛纯雄首次利用电子显微镜观察到中空的碳纤维，直径 一般在几纳米到几十个纳米之间，长度为数微米，甚至毫米，称为“碳纳米管”。理论分析和实验观察认为它是一种由六角网状的石墨烯片卷成的具有螺旋周期管状结构。正是由于饭岛的发现才真正引发了碳纳米管研究的热潮和近十年来碳纳米管科学和技术的飞速发展。,按照石墨烯片的层数，可分为：,1),单壁碳纳米管（,Single-walled,nanotubes,SWNTs,）：由一层石墨烯片组成。单壁管典型的直径和长度分别为,0.75,3nm,和,1,50m,。又称富勒管,(Fullerenes tubes),。,2),多壁碳纳米管（,Multi-walled,nanotubes,MWNTs,）：含有多层石墨烯片。形状象个同轴电缆。其层数从,2,50,不等，层间距为,0.340.01nm,，与石墨层间距,(0.34nm),相当。多壁管的典型直径和长度分别为,2,30nm,和,0.1,50m,。,区别 多壁管在开始形成的时候，层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷。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。无论是多壁管还是单壁管都具有很高的长径比，一般为,100,1000,，最高可达,1000,10000,，完全可以认为是一维分子。,碳纳米管的独特性质,1),力学性能,碳纳米管的抗拉强度达到,50,200GPa,是钢的,100,倍,密度却只有钢的,1/6,，至少比常规石墨纤维高一个数量级。它是最强的纤维，在强度与重量之比方面，这种纤维是最理想的。如果用碳纳米管做成绳索，是迄今唯一可从月球挂到地球表面而不会被自身重量拉折的绳索，如果用它做成地球,月球载人电梯，人们来往月球和地球献方便了。用这种轻而柔软、结实的材料做防弹背心那就更加理想了。,除此以外，它的高弹性和弯曲刚性估计可以由超过兆兆帕的杨氏模量的热振幅测量证实。对于有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约,800GPa,；对于多层壁，理论计算太复杂，难于给一确定的值。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定得多。在大气氧化条件下，碳纳米管在,973K,的温度下失重很少，结构基本没有发生变化。碳纳米管在酸、碱的长时间浸泡下，结构基本不发生破坏。人们还预言，碳纳米管只会在非常高的应变（,15,20,）状况才会破坏。在动力学模拟中，它们的行为象“超级细绳”。,纳米管能抗扭转力引起的畸变，在许多情况下，纳米管可以在卸载时恢复原来的截面，不象石墨纤维，压缩时易破坏。压缩的纳米管形成波峰状的纽结，卸载后，能弹性地松弛。纳米管的这种特性使其在诸如高强度复合材科的制造中和纺织原料的纺织中具有极大的吸引力。碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。若将碳纳米管与其他工程材料制成复合材料,可对基体起到强化作用。,2),电学性能,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决于其管径和管壁的螺旋角。当,CNTs,的管径大于,6mm,时，导电性能下降；当管径小于,6mm,时，,CNTs,以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。,3),热学性能,一维管具有非常大的长径比，因而大量热是沿着长度方向传递的，通过合适的取向，这种管子可以合成高各向异性材料。虽然在管轴平行方向的热交换性能很高，但在其垂直方向的热交换性能较低。纳米管的横向尺寸比多数在室温至,150oC,电介质的品格振动波长大一个量级，这使得弥散的纳米管在散布声子界面的形成中是有效的，同时降低了导热性能。适当排列碳纳米管可得到非常高的各向异性热传导材料。,4),储氢性能,碳纳米管的中空结构，以及较石,(0.335nm),略大的层间距,(0.343nm),，是否具有更加优良的储氢性能，也成为科学家们关注的焦点。,1997,年，,A.C.Dillon,对单壁碳纳米管,(SWNT),的储氢性能做了研究，,SWNT,在,0,时,储氢量达到了,5%,。,DeLuchi,指出,:,一辆燃料机车行驶,500km,消耗约,31kg,的氢气，以现有的油箱来推算，需要氢气储存的重量和体积能量密度达到,65%,和,62kg/m3,。这两个结果大大增加了人们对碳纳米管储氢应用前景的希望。,碳纳米管的制备,电弧法,它是最早用于制备碳纳米管的方法,也是最主要的方法。其主要工艺是,:,在真空容器中充满一定压力的惰性气体或氢气,以掺有催化剂,(,金属镍、钴、铁等,),的石墨为电极,在电弧放电的过程中阳极石墨被蒸发消耗,同时在阴极石墨上沉积碳纳米管,从而生产出碳纳米管。,Ebbesn2,等人在氮气下制备碳纳米管,并且可制得克级碳纳米管,从而使这种方法被广泛应用。,1994,年,Bethune3 Lin4,等人引入催化剂进行电弧反应,提高碳纳米管的产率,降低了反应温度,减少了融合物。,1997,年,Jounet5,等在氦气下采用催化剂大规模合成单层碳纳米管。,电弧法的特点,简单快速,制得的碳纳米管管直,结晶度高,但产量不高,而且由于电弧温度高达,3 000,3 700,形成的碳纳米管会被烧结成一体,烧结成束,束中还存在很多非晶碳杂质,造成较多的缺陷。电弧法目前主要用于生产单壁碳纳米管。,化学气相沉积法,(CVD),化学气相沉积法又名催化裂解法,其原理是通过烃类,(,如甲烷、乙烯、丙烯和苯等,),或含碳氧化物,(,如,CO),在催化剂的催化下裂解而成。目前对化学气相沉积法制备碳纳米管的研究表明,选择合适的催化剂、碳源以及反应温度十分关键。催化剂选择较多的是过渡金属,Fe,、,Cu,、,Co,、,Ni,、,Cr,、,V,、,Mo,、,La,、,Pt,、,Y,、,Mg,、,Si,等。在相同条件下制备催化剂及合成碳纳米管,金属组成不同,所制备催化剂的活性也不同。,用化学气相沉积法制备碳纳米管的过程中,工艺参数对碳纳米管的制备有很大的影响,而裂解温度是影响碳纳米管的产量和形貌的最大工艺参数。,化学气相沉积法主要用于多壁碳纳米管的制备,适合于多壁碳纳米管的批量化加工。化学气相沉积法的特点是操作简单,工艺参数更易控制、易于进行大规模生产,且产率高。,低温固态热解法,低温固态热解法,(low2temperature solid,pyrolisis,LTSP),是通过制备中间体来生产碳纳米管的。首先制备出亚稳定状态的纳米级氮化碳硅,(Si2C2N),陶瓷中间体,然后将此纳米陶瓷中间体放在氮化硼坩埚中,在石墨电阻炉中加热分解,同时通入氮气作为保护性气体,大约加热,1h,左右,纳米中间体粉末开始热解,碳原子向表面迁移。表层热解产物中可获得高比例的碳纳米管和大量的高硅氮化硅粉末。,低温固态热解法工艺的最大优点在于有可能实现重复生产,从而有利于碳纳米管的大规模生产。,热解聚合物法,该方法通过高温分解碳氢化合物来制备碳纳米管。用乙炔或苯化学热解有机金属原始反应物,(,如二茂铁和五羟基铁或其混合物,),制备出碳纳米管。,Cho15,等通过把柠檬酸和甘醇聚酯化作用得到的聚合物在,400,空气气氛下热处理,8h,然后冷却到室温得到了碳纳米管。在,420,450,下在,H2,气氛下,用金属,Ni,作为催化剂,热解粒状的聚乙烯,合成了碳纳米管,16,。,离子,(,电子束,),辐射法,在真空炉中,通过离子或电子放电蒸发碳,在冷凝器上收集沉淀物,其中包含碳纳米管和其他结构的碳。,Chernazatonskii18,等通过电子束蒸发覆在基体上的石墨合成了直径为,10,20 nm,的向同一方向排列的碳纳米管。,Yamamoto,等在高真空环境下用氩离子束对非晶碳进行辐照得到了管壁有,10,15 nm,厚的碳纳米管,19,。,此外还有火焰法，太阳能法电解法等,碳纳米管的应用,电化学器件 碳纳米管具有非常高的比表面积、导电性能和良好的机械性能，是电化学领域所需的理想材料。碳纳米管电容器具有非常好的放电性能，能在几毫秒的时间内将所存储的能量全部放出，这一优越性能已在混合电力汽车中开始实验使用。由于可在瞬间释放巨大电流，为汽车瞬间加速提供能量，同时也可用于风力发电系统稳定电压和小型太阳能发电系统的能量存储。锂离子电池是碳纳米管应用研究领域之一。碳纳米管锂离子电池容量大，放电速度快，充放电容量达到,1000mA.h/g,，大大高于石墨（,372mA.h/g,）和球磨石墨粉（,708mA.h/g,）。,氢气存储 碳纳米管储氢是具有很大发展潜力的应用领域之一，室温常压下，约,2/3,的氢能从碳纳米管中释放出来，而且可被反复使用。碳纳米管储氢材料在燃料电池系统中用于氢气存储，对电动汽车的发展具有非常重要的意义，可取代现用高压氢气罐，提高电动汽车安全性。,场发射装置,学术和工业界对碳纳米管电子器件的研究主要集中在场发射管（电子枪），其主要可应用在场发射平板显示器（,FED,）、荧光灯、气体放电管和微波发生器。碳纳米管平板显示器是最具诱人应用潜力和商业价值的领域之一。,碳纳米管场效应晶体管,碳纳米管场效应晶体管的研制成功有力地证实了碳纳米管作为硅芯片继承者的可行性。尤其是目前，在科学家再也无法通过缩小硅芯片的尺寸来提高芯片速度的情况下，纳米管的作用将更为突出。,催化剂载体,碳纳米管由于尺寸小，比表面积大，表面的键态和颗粒内部不同，表面原子配位不全等导致表面的活性位置增加，是理想的催化剂载体材料。,碳纳米管修饰电极,碳纳米管对生物分子活性中心的电子传递具有促进作用，能够提高酶分子的相对活性。与其它碳电极相比，碳纳米管电极由于其独特的电子特性和表面微结构，可以大大提高电子的传递速度，表现出优良的电化学性能。蔡称心等,4,报道了,HRP,在碳纳米管,(CNT),修饰,GC,电极表面的固定及直接电化学。尹峰等,5,将多壁碳纳米管和聚丙烯胺层层自组装制得葡萄糖生物传感器，其灵敏度高，抗干扰能力强。,正因为碳纳米管与生物材料有着特殊的相互作用，人们已经将碳纳米管应用到化学及生物分析中，目前国内外已有很多学者对碳纳米管在生物传感器领域的应用进行了大量的理论和实践研究，并取得了突破性的进展，充分显示了碳纳米管作为新型电极材料的应用前景。,碳纳米管技术的展望,目前，国际上对碳纳米管的研究方兴未艾，发现了很多的科学现象，对它的物理、化学、热学和电子学方面都有了较深刻的理解，在基础研究和应用领域都取得了重要发展。碳纳米管应用技术的发展将广泛冲击产业各界，在众多应用领域里的研究已在全球范围内广泛展开。,单碳纳米管,多碳纳米管,