碳纳米管的制备与应用.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,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,二级,三级,四级,五级,*,碳纳米管的制备与应用,小组成员：,皇甫常欣、任小敏、阮成飞、黄帅、尹力、曹娜、石芳、万宁波、王潇、魏泽宇、石明、陈雯雯、贺敏,汇报成员：,1,目录,01,碳纳米管的结构与特性,02,碳纳米管的应用,03,碳纳米管的制备,04,碳纳米管的纯化,05,挑战与展望,2,1,碳纳米管的结构与特性,定义：,径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级的，管状一维量子材料。,发现：,发现人：日本科学家饭岛澄男（Sumio Iijima）,时 间：1991年,手 段：高分辨透射电镜（HRTEM）,意 义：开辟了碳家族的又一同素异构体和纳米材料研究的新领域。,3,1,碳纳米管的结构与特性,管状的碳分子，,sp2,杂化,碳,-,碳,键结合起来,形成由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架,管壁由单石墨片层卷绕而成，两侧由富勒烯半球封端,4,1,碳纳米管的结构与特性,根据卷绕方式（,n,m,）的不同，可分为,椅式管,a,rmchair n=m,锯齿,型管,zigzag n=0,手性管,chiral n m,m 0,单石墨片层,armchair,型,SWNT,zigzag,型,SWNT,chiral,型,SWNT,5,1,碳纳米管的结构与特性,多壁碳纳米管,可视为,“,同轴多层碳圆柱体的组装体,”,Russian doll,层间距,0.34 nm,多层碳圆柱体间由弱的,Van de Waals,力提供绑缚力,单壁碳纳米管,SWNTs,多壁碳纳米管,MWNTs,6,2,碳纳米管的应用,在力学领域的应用,碳纳米管西装,防弹衣,材料,杨氏模量（,TPa,）,抗拉强度（,GPa,）,断裂伸长率（,%,）,单壁碳纳米管,1(from 1 to 5),13-53,16,椅式单壁碳纳米管,0.94,126.2,23.1,Z,型单壁碳纳米管,0.94,94.5,16.6-17.6,手性单壁碳纳米管,0.92,多壁碳纳米管,0.2-0.95,11-160,不锈钢,0.186-0.214,0.38-1.55,16-60,凯夫拉纤维,0.06-0.18,3.6-3.8,2,7,在电磁学领域的应用,金纳米团簇-多壁碳纳米管修饰电极,2,碳纳米管的应用,碳纳米管电化学传感器,8,在催化剂材料领域的应用,在碳纳米管中组装纳米催化剂,在储氢材料领域领域的应用,碳纳米管储氢,2,碳纳米管的应用,9,2,碳纳米管的应用,Science,Vol.101,No.11,2008,力学领域,+,电磁学,+,复合材料,+,载体,纳米管阵列,二维、三维,排列组合,10,3,碳纳米管的制备,碳纳米管的制备方法：,电弧法,激光蒸发法,化学气相沉积法（,C,VD法）增强等离子热流体化学蒸气分解沉积法（PECVD）,高压一氧化碳合成工艺（,HiPCO,）,其它制备方法,常用,11,3.1,电弧法,石墨电弧法（传统电弧法）,石墨电弧法制备纳米碳管装置图,以石墨为电极，在惰性气体环境中，电弧放电，消耗阳极石墨，在阴极上生成碳纳米管,电压,-,1225 V,；,电流,-,50120 A,；,电极间隙,-,1 mm,；,最早应用的碳纳米管合成方法,可生产,SWNT,和,MWNT,12,复合电极电弧催化制备纳米碳管装置图,1.冷却水 2.真空 3.氦气,复合电极电弧催化,催化剂粉末,优势：产物为SWNTs,副产物少,纯度高,劣势：,产物中掺有少,量催化剂,3.1,电弧法,掺有过渡金属其氧化物（如,Fe,Co,Ni,Mo,等）的石墨为电极,13,J.Phys.Chem.B,Vol.101,No.11,1997,纯化的,SCNTs,扫描电子显微镜图,（,a,）石墨层间夹杂的金属纳米粒子透射电镜图,（,b,）,a,中纳米粒子部分放大图,b,a,3.1,电弧法,14,3.2,激光烧蚀法,SCIENCE VOL.273 26 JULY 1996,10nm,单壁碳纳米管束,优点：所得碳纳米管品质高，结构完整，缺陷较少，适合生长,SWNT,缺点：成本高，收率低,15,3.3.1,化学气相沉积法（,CVD,）,优势：产量大,生产方法简单,重复性高,劣势：杂质多,利用纳米尺度的过渡金属或其氧化物为催化剂，在相对较低的温度,(500-1200),下热解碳源气体,(,甲烷、乙炔、乙烯、丙烯、苯和一氧化碳等,),来合成碳纳米管,16,3.3.2,等离子体增强化学气相沉积工艺,(Plasma-enhanced CVD,PECVD),Science.1998.282(5391):11057.,优势：等离子体增强反应活性,外加电场控制生长方向,17,3.3.3,高压一氧化碳合成工艺（,HiPCO,，,High-pressure carbon monoxide synthesis,）,将冷的含有羰基铁,Fe(CO),5,的高压,CO,气体,和预先加热到,1200,的,CO气体相混合，使含有催化剂的高压,CO,气体,在不到,1,毫秒的时间内加热到,1000,。这时羰基铁分解出的,Fe,原子相互碰撞形成 铁纳米颗粒，铁纳米颗粒进而和,CO,反应生成,CO,2,并留下一个碳原子,2001.Cambridge:Cambridge University Press.,18,3.4,其它制备方法,固相热解法,水热晶化法,太阳能法,电解法,溶胶凝胶法,19,4,碳纳米管的纯化,合成产物中，常伴有大量杂质，如无定型碳、富勒烯、金属催化剂等,20,4,碳纳米管的纯化,化学方法：,电化学氧化法,微波加热氧化法,液相氧化法,氢化作用提纯法,物理方法：,离心分离法,电泳纯化法,过滤纯化法,色谱层析法,Nat.Mater.2015,14:1087-1098.,+,21,挑战与展望,碳纳米管生长机理还不够明确，影响碳纳米管的产量、质量及产率的因素也不清楚,优化目前的生产、分离和提纯工艺,高纯度、高比表面积和长度、螺旋角等可控,22,主要参考文献,Ali Eatemadi,Hadis Daraee,Hamzeh Karimkhanloo,et al.Carbon nanotubes:properties,synthesis,purification,and medical applicationsJ.Nanoscale Research Letters,2014,9:393,K.Tohji,H.Takahashi,Y.Shinoda,et al.Purification Procedure for Single-Walled NanotubesJ.J.Phys.Chem.B,1997,101:1974-1978.,Andreas Thess,Roland Lee,Pavel Nikolaev,et al.Crystalline Ropes of Metallic Carbon NanotubesJ.Science.1996.273:483-7.,Ren,Z.F.;Huang,ZP;Xu,JW,et al.Synthesis of Large Arrays of Well-Aligned Carbon Nanotubes on GlassJ.,Science,.1998.282(5391):11057.,Harris,Peter J.F.Carbon nanotubes and related structures:new materials for the twenty-first century.2001.Cambridge:Cambridge University Press.ISBN 9780521005333.,Oleg A.Louchev,Yoichiro Sato and Hisao Kanda.Growth mechanism of carbon nanotube forests by chemical vapor depositionJ.Applied physics letters,2002,80(15):2752-2754.,Chortos,A.,Bao,Z.A.Pursuing prosthetic electronic skinJ.Nat.Mater.2016,15:937-950,Smalley,Richard E.;Li,Yubao,et al.Single Wall Carbon Nanotube Amplification:En Route to a Type-Specific Growth MechanismJ.JACS.2006.128(49):1582415829.,White,T.J.,Broer,D.J.Programmable and adaptive mechanics with liquid crystal polymer networks and elastomersJ.Nat.Mater.2015,14:1087-1098.,23,此课件下载可自行编辑修改，供参考！,感谢您的支持，我们努力做得更好！,24,