1、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：周孝禹,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,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。,1 碳纳米管的结构与特性,管状的碳分子，sp2杂化 碳-碳键结
2、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,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 armchair n = m 锯齿型管 zigzag n = 0 手性管 chiral n m, m 0,1 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,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,在电磁学领域的应用,金纳
3、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,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,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 ,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（CVD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,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
4、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,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,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,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
5、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,3.2 激光烧蚀法,SCIENCE VOL. 273 26 JULY 1996,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,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,3.3.2 等离子体增强化学气相沉积工艺(Plasma-enhanced CVD, PECVD),Science. 1998.
6、 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,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CO2并留下一个碳原子,2001. Cambridge: Cambridge University Press.,3.4 其它制备方法,固相热解法 水热
7、晶化法 太阳能法 电解法 溶胶凝胶法,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,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.,+,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,主要参考文献,Ali Eatemadi, Hadis Daraee, Hamzeh Karimkhanloo
8、, 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 N
9、ikolaev, 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
10、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. Pu
11、rsuing 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.,
