碳纳米管精华总结

CarbonNanobutes0碳纳米管主讲:谢亚红新疆大学化学化工学院材料与工程教研室XinjianguniversityCarbonNanotubesCarbonNanobutes1什么是碳纳米管？碳纳米管具有怎样的结构？碳纳米管如何分类？碳纳米管有哪些特殊性质？碳纳米管有哪些重要应用？碳纳米管如何制备？CarbonNanotubesCarbonNanobutes2C600引言C60，富勒烯，又称足球烯金刚石的同素异形体，发现于1985年CarbonNanobutes3TheNobelPrizeinChemistry1996“fortheirdiscoveryoffullerenes”RobertF.CurlHaroldW.KrotoRichardE.SmalleyCarbonNanobutes4C60C70C80碳纳米管?碳纳米管的发现Nature1991,354,561991年，日本NEC公司的饭岛澄男在研究C60分子时发现了多壁碳纳米管，1993年又发现单壁碳纳米管。单壁碳纳米管的发现和应用被世界权威杂志Science评为1997年度人类十大科学发现之一。CarbonNanobutes5碳家族：金刚石、C60、石墨、石墨烯、纳米碳管碳家族成员CarbonNanobutes6研究中的碳纳米管CarbonNanobutes71碳纳米管基本概念Single-walledcarbonnanotubeMulti-walledcarbonnanotube碳纳米管(CNTs)是一种具有完整分子结构的新型碳材料,它是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体。MWNTSWNTCarbonNanobutes82碳纳米管的微结构结构决定性质金刚石结构中每个碳原子以sp3杂化与其它四个碳原子形成共价键，硬度大，熔点极高，不导电。金刚石同层碳原子以sp2杂化形成共价键，能导热和导电，属于金属晶体。石墨结构？CarbonNanobutes理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。石墨烯目前是世上最薄却最坚硬的纳米材料，几乎完全透明石墨烯CarbonNanobutes10纳米碳管中的碳原子以sp2杂化，但由于存在一定曲率所以其中也有一小部分碳属sp3杂化。在不考虑手性的情况下，SWNT可以由两个参量完全确定（直径和螺旋角或两个表示石墨烯的指数（n,m）或者螺旋向量Cn和垂直向量T。MWNT则需要三个以上的参数表示。2碳纳米管的微结构CarbonNanobutes11当n=m，手性角θ=30°时称单壁纳米管（armchairtubule）；当m=0，手性角θ=0°时称锯齿管（zigzagtubule）；当0°θ30°时称为手性管（chiraltubule）。碳纳米管的分类armchairtubulezigzagtubulechiraltubuleCarbonNanobutes12单壁纳米管锯齿纳米管手性纳米管＝30＝0030单壁碳纳米管总是表现为金属性，锯齿形和手性纳米管中部分表现为金属性，部分为半导体性。CarbonNanobutes133碳纳米管的基本性质StrengthHardness（1）高机械强度：钢100倍强度，1/6重量（2）高长径比:103数量级（3）高比表面:400-3000m2/g（4）优良的光吸收特性：发光强度随发射电流的增大而增强（5）热性能：热量沿着长度方向传递，各向异性热传导材料（6）强的吸附性能，优异的储氢特性（7）电性能：根据结构在导体，半导体，绝缘体间变化。DiamondCarbonnanotubes石墨CarbonNanobutes14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。碳纳米管的力学性能CarbonNanobutes15优异的化学稳定性（C-C键，无悬空键）耐酸、强碱，在空气中7000C不氧化碳纳米管具有化学惰性，经历充放电不发生化学作用。因此，数据保存在这样的一个存储器中可以拥有更长的保存时间。优异的化学稳定性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。当CNTs的管径大于6mm时，导电性能下降；当管径小于6mm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。独特的电学性能CarbonNanobutes164碳纳米管的应用CarbonNanobutes171999年汉城三星高等技术研究所（SAIT）的研究人员将碳纳米管以薄膜方式分散在电子控制器件上，再在膜表面安置涂有磷光粉的玻璃，成功制作了彩色场射平板显示器。场发射装置CarbonNanobutes18麻省理工大科学家发现，电池电极使用含碳纳米管可比目前最高端的锂电池蓄存更多电力，充电效率及蓄电能力更优良。含碳纳米管电池进行1000次充放电后，电池内的物质属性变化极微，电池蓄电力丝毫未见减少。比表面积大（250-3000m2/g)碳纳米管电容量可到每克15-200F，目前数千法拉的电容器已被生产，单壁碳纳米管电容量一般为180F/g，多壁碳纳米管电容量一般为102F/g,单壁碳纳米管电容器功率密度可达20KW/kg，能量密度可达7Wh/kg。超级电容器CarbonNanobutes19美国通用汽车公司液氢为能源的燃料电池概念车－氢动一号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，使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）氢储藏H2CarbonNanobutes20碳纳米管是一种有前途的理想微波吸收剂,可用于隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。理想的微波吸收剂CarbonNanobutes21碳纳米管纤维纺织技术2004年11月19日美国《科学》周刊306卷CarbonNanobutes22纳米金属催化剂载体,利用碳纳米管的高比表面及良好的吸氢能力，成功制备了负载Pt纳米粒子的高效加氢催化剂。催化剂载体CarbonNanobutes5碳纳米管的制备方法Electricarc-dischargemethod（电弧放电）Chemical-vapor-deposition(CVD)Laserevaporationmethod（激光蒸汽法）PresentChemistry2020/3/3124最原始的方法，也是最重要的方法之一；1991年，Iijima在氩气氛下，通过电弧放电得到直径在4～30nm之间不等的碳纳米管；随后NEC同事Ebbesen和Ajayan也在氦气下得到碳纳米管并于1992年报告了大规模合成碳纳米管的方法；1993年，Iijima教授与IBM实验室的Bethune教授改进了电弧法，他们在阳极置入催化剂金属铁或钴，成功地在放电室器壁中发现了单层碳纳米管。（1）电弧放电法（Arc-discharge）PresentChemistry2020/3/3125在真空反应室中充满一定压力的惰性气体，采用面积较大的石墨棒作电极，面积较小的石墨棒作阳极。在电弧放电过程中，两石墨电极间总保持一定的间隙。阳极石墨棒不断被消耗，阴极上沉积有碳纳米管、富勒烯、石墨颗粒、无定形碳和其他形式的炭颗粒。电弧放电法原理PresentChemistry2020/3/3126简单快速；制得的碳纳米管管直，结晶度高；所产生的碳纳米管缺陷较多，其原因在于电弧温度高达3000～3700℃，形成的碳纳米管被烧结与一体，造成较多的缺陷；在化学气相沉积法发现前电弧法仍是合成碳纳米管的主要方法；最近有报道用化学气相沉积法制备单层碳纳米管，但电弧法仍是制备单层碳纳米管最常用的办法之一。电弧放电法特点PresentChemistry2020/3/3127CVD：ChemicalVapourDeposition指在远高于临界反应温度的条件下，通过化学反应，使反应产物蒸气形成很高的过饱和蒸气压，自动凝聚形成大量的晶核，这些晶核不断长大，聚集成颗粒，随着气流进入低温区，最终在收集室内得到纳米粉体。化学气相沉积反应原料是气态或易于挥发成蒸气的液态或固态物质。所用反应体系的选择要符合下面一些基本要求：①反应易于生成所需要的沉积物而其它副产物保留在气相排出或易于分离。②整个操作较易于控制。3.1.（2）化学气相沉积法（CVD）PresentChemistry2020/3/3128化学气相沉积法原理Substrateswithcatalysts←CxHy(MainlyCH4,C2H2,C2H4orC6H6,usuallyasamixturewitheitherH2oraninertgassuchasArandN2)T=500~1000oCPresentChemistry2020/3/3129颗粒均匀，纯度高，粒度小，分散性好，化学反应活性高，工艺尺寸可控和过程连续。可通过对浓度、流速、温度；组成配比和工艺条件的控制，实现对粉体组成，形貌，尺寸，晶相的控制。应用领域：适用于制备各类金属、金属化合物，以及非金属化合物纳米微粒，如各种金属氮化物，硼化物，碳化物等，后来用于制备碳纤维、碳纳米管等。化学气相沉积法优势PresentChemistry2020/3/3130用两块金属板分别作为阳极和阴极，阴极为蒸发用材料，两电极间充入Ar气(40～250Pa)，两电极间施加的电压范围为0.3～1.5kV。两电极间辉光放电使Ar离子形成，在电场作用下Ar离子冲击阴极靶材表面(加热靶材)，使靶材原子从其表面蒸发出来形成超微粒子，并在附着面上沉积下来。(3)激光溅射法（LaserAblation）PresentChemistry2020/3/3131Laserevaporationmethod激光蒸汽法制备单壁纳米碳管的有效方法。管径可由激光脉冲控制。激光脉冲间隔时间越短，得到的单壁碳纳米管产量越高，而且单壁碳纳米管的结构并不受激光脉冲间隔时间的影响。PresentChemistry32碳纳米管的基本概念碳纳米管的分类碳纳米管的特性碳纳米管的微结构碳纳米管的应用碳纳米管的制备SUMMARYPresentChemistry2020/3/3133Thankyouforyourkindattention!