多壁碳纳米管的制备

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多壁碳纳米管缩写

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多壁碳纳米管缩写
多壁碳纳米管,英文缩写为MWCNTs(Multi-Walled Carbon Nanotubes),是由数层单壁碳纳米管相互包裹而成的碳纳米管结构。

其具有优异的力学、电学、导热和阻隔性能,在材料科学、电子学等领域有着广泛的应用前景。

一、MWCNTs的制备方法:
1. 化学气相沉积(CVD)法:利用化学反应在催化剂表面生长碳纳米管。

此法对于控制管径、墙数和长度具有较好的效果。

2. 空气氧化剂热法:在高温下将碳纤维直接暴露在空气氧化剂中,可制备出MWCNTs。

此方法制备简单,但产品质量较难控制。

二、MWCNTs的应用领域:
1. 复合材料:MWCNTs与聚合物、金属等材料复合后,可提高复合材料的力学强度和导电性能。

2. 电子学:MWCNTs有优异的电学性能,可应用于电极、电池等电子器件中,并有望代替传统的铜、铝等金属材料。

3. 储氢材料:利用MWCNTs的高比表面积和优异的化学稳定性,可将氢气吸附于其表面,实现氢气存储。

4. 污染物处理:MWCNTs具有较强的吸附能力,可用于处理水中的废水、有机物污染物等。

5. 传感器:MWCNTs的导电性能、力学性能和化学稳定性均具优异表现,可用于制备各种传感器。

三、MWCNTs的环境风险:
虽然MWCNTs在各个领域均具有广泛的应用前景,但其环境风险也不容忽视。

MWCNTs具有极小的直径和高比表面积,难以被传统的废水处理方法去除,可能对生物体造成潜在的长期和不可逆的毒性影响。

综上所述,MWCNTs作为一种新型的碳纳米材料,在材料科学、电子学等领域应用前景巨大,但其环境风险需要引起足够的重视。

高分子自组装制备多壁纳米炭管

高分子自组装制备多壁纳米炭管

高分子自组装制备多壁纳米炭管陈永;李成;涂进春;安立南【期刊名称】《新型炭材料》【年(卷),期】2012(27)6【摘要】通过将聚硅氮烷和聚乙烯吡咯烷酮在一定条件下混合,经过分子聚合及惰性气体保护下高温热处理,在SiCN陶瓷基体表面生长短的多壁碳纳米管.所制备的碳纳米管长度短,在~500 nm范围,直径在~30 nm,并且具有完整的管状结构.多壁纳米炭管形成机理是聚乙烯吡咯烷酮在溶液中自组装形成的高分子管状结构,再经高温炭化而成.%Short multiwall carbon nanotubes(MWCNTs)were synthesized by pyrolysis of a polysilazane-polyvinyl pyrrolidone mixture that was characterized by dynamic light scattering.It was found that the polymer mixture had a tubeshaped aggregate at the nanometer scale.The MWCNTs are ~ 30 nm in diameter and ~ 500 nm in length.Structural characterization revealed that they have a well-developed tubular structure with a uniform wall thickness,but are not well graphitized.The formation of the MWCNTs can be accounted for by the self-assembly of polyvinyl pyrrolidone in the solution to form polymeric nanotubes that were converted to MWCNTs by subsequent pyrolysis.【总页数】5页(P416-420)【作者】陈永;李成;涂进春;安立南【作者单位】海南大学热带生物资源教育部重点实验室,热带岛屿资源先进材料教育部重点实验室,海南省硅锆钛资源综合开发与利用重点实验室,海南大学材料与化工学院,海南海口570228;美国中佛罗里达大学机械与航天工程系,先进材料加工与分析中心,美国奥兰多FL32816;海南大学热带生物资源教育部重点实验室,热带岛屿资源先进材料教育部重点实验室,海南省硅锆钛资源综合开发与利用重点实验室,海南大学材料与化工学院,海南海口570228;美国中佛罗里达大学机械与航天工程系,先进材料加工与分析中心,美国奥兰多FL32816【正文语种】中文【中图分类】TB332【相关文献】1.高分子纳米复合材料研究进展(I)高分子纳米复合材料的制备、表征和应用前景[J], 曾戎;章明秋;曾汉民2.煤基单壁纳米炭管的制备 [J], 邱介山;李永峰;王同华;王云鹏;赵宗彬3.P(St-co-AA)与Fe3O4纳米粒自组装制备高分子磁微球 [J], 文德;曾红梅;王妍媼;赖琼钰;吉晓洋4.引入高温炭隔离相高分子网络法制备单分散α-氧化铝纳米颗粒 [J], 马宇;颉信忠;赵艺伟;李建功5.高分子纳米复合材料研究进展(Ⅰ)──高分子纳米复合材料的制备、表征和应用前景 [J], 曾戎;章明秋;曾汉民因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。

化学气相沉积法制备多壁碳纳米管

化学气相沉积法制备多壁碳纳米管

化学气相沉积法制备多壁碳纳米管第35卷第11期2007年11月化工新型材料NEWCHEMICALMATERIALSV ol.35No.1137?化学气相沉积法制备多壁碳纳米管张璐朱红林海燕曹旭东(1.北京交通大学理学院化学所,北京100044;2.渥太华大学化学工程学院,加拿大渥太华KIN6N5)摘要以带程序升温装置的管式电阻炉为实验装置,采用化学气相沉积法,在一定的工艺条件下裂解二茂铁与双鸭山精煤的混合物制备出多壁碳纳米管.采用透射电镜,Raman光谱以及X射线衍射技术对碳纳米管产物进行袁征,同时研究了碳纳米管的生长机理.关键词碳纳米管,煤,化学气相沉积Synthesisofmulti—walledcarbonnanotubesbychemicalvapordepositionmethodZhangLuZhuHongLinHaiyanCaoXudong(1.DepartmentofChemistry,SchoolofScience,BeijingJiaotongUniversity,Beiiing10004 4;2.DepartmentofChemicalEngineering,UniversityofOttawa,Ottawa,Ontario,Canada,KI N6N5)AbstractMulti-walledcarbonnanotubes(MWNTs)weresuccessfullypreparedbychemical vapordepositionmethodwiththemixtureofferroceneandShuangyashanfinecoalasreactants.Ahorizontaltu bereactorwithaprogram- mableheatingsysthemwasusedastheexperimentalinstrument.TheMWNTsproductswere characterizedbytransmissionelectronmicroscopy(TEM),RamanspectroscopyandX-raydiffractiontechniques.Thegro wthmechanismofMWNTswasstudied.Keywordscarbonnanotube,coal,chemicalvapordeposition自碳纳米管(CNTs)发现以来_I],就以其独特的性质和潜在的应用前景引起了人们的广泛关注.有关CNTs的制备以及表征已经有大量的报道.CNTs的制备方法包括电弧法_2],激光蒸发法_3],化学气相沉积法(C,厂D)]等.其中,前两种方法需要较高的温度条件,制备的CNTs质量好,然而产量低,不适合工业化生产.相反,人们已证明CVD法可以用来大规模制备CNTs,它所需要的温度也相对较低(550~IO00~C)E.本研究采用CVD法,以带程序升温装置的管式电阻炉为实验装置,在一定的工艺条件下裂解二茂铁与双鸭山精煤的混合物制备多壁碳纳米管(MWNTs),同时研究了CNTs的生长机理.1实验部分1.1煤样固定碳和挥发分是表征煤中主要成分有机质性质的主要工艺性指标,灰分是煤中矿物质含量多少的度量指标_8].一般认为煤中固定碳含量高,意味着在化学气相沉积法中参与纳米碳材料形成的活性碳离子浓度高,从总体上有利于碳纳米管的形成.本方法采用的双鸭山精煤的固定碳含量达8O以上.对煤样进行粉碎,过140目筛.1-2化学气相沉积制备MWNTs反应装置是带有程序升温装置的管式电阻炉.其结构如图1所示.石英管的内径为18ram,长度为ll0cm.管式炉的有效温度区为300ram,位于石英管的中间部位.图1煤制多壁碳纳米管的实验装置图oeouples取适量精煤,与二茂铁以质量比1:3均匀混合,将其装入瓷舟中,再将瓷舟放入石英管的中央部位(反应区),通Nz50mL/min约15min排空.设置好反应时间3h和反应温度1000~C,开始加热.整个实验过程在N2保护下进行.实验结束后,在石英管管壁上及瓷舟中收产物.1.3M的表征用透射电镜(TEM,JEM-2010)观察碳纳米管粗产物的形貌,尺寸和结构.用Raman光谱(RenishawRM2000,632.8基金项目:国家863项目(2006AA03Z226);北京自然科学基金(29051001);国际合作项目(2OO6DFA6124O)作者简介:张璐(1985一),女,在读硕士,主要从事碳纳米管的研究.38化工新型材料第35卷nlTlHe-Nelaser)对产物的结构进行表征.产物的物相组成通过x射线衍射(XRD,XD-D1)观察.2结果与讨论为了研究碳纳米管的生长机理,采用TEM对产物进行表征,如图2所示.从图2a可以看出,有大量碳纳米管生成,同时存在一些杂质如催化剂颗粒和无定形炭等;图2b是单根碳纳米管的透射电镜图.可以看出,管径分布较均匀,碳管的端部封闭,含有金属催化剂颗粒,碳管管体中也存在一些金属颗粒,说明金属颗粒的催化作用可以在两侧同时进行,在制备过程中这些颗粒受到来自两侧的推力,被包覆在管体中_g,并造成碳管在颗粒处拐弯和变形的现象,如图2c所示.从图2c也可以看出,生成的碳管为MWNTs,碳管的内径和外径分布范围分别在4~10nm,24~40nm之间.图2碳纳米管的TEM图图3是碳纳米管的Raman光谱图.Raman光谱在1593.8cm处的G峰表明,制备的碳纳米管为MWNTs,与透射电镜的结果一致,这是由两个E2拉曼活性振动模式产生.G峰指示的是有序的石墨层结构;而出现在1329.2cm1处的D峰,由拉曼非活性呼吸振动模式A1造成的.它指示石墨层结构上的缺陷(不封闭的端口,无定形炭等)l】.两峰的强度比Ig/Id~l,说明合成的MWNTs有较大的缺陷,含有无定性炭等杂质,与TEM结果一致(图2所示),在其它以Fe为催化剂采用CVD法制备碳纳米管的文献中也有类似的发现_】3_. 没有出现呼吸振动峰(RBM),说明产物中没有单壁碳纳米管生成,进而说明该方法的合成选择性高.鼍想魑图3碳纳米管的Raman光谱碳纳米管粗产物的XRD谱图见图4.在20—26.处,该峰是碳纳米管的特征峰(002),它对应于石墨层片的间距0.34nm,说明MWNTs的层间距约为0.34nm.在20~45.左右,还发现了很强的峰,它是Fe和Fe3C的重叠峰.此峰的强度比碳纳米管的特征峰的强度高很多,说明产物中金属杂质占很大的比例.为了研究碳纳米管的生长机理,在相同的温度和时间条件下分别对二茂铁与精煤做了空白实验.TEM表征结果发现,单独裂解精煤时,产物中几乎没有碳纳米管;而单独裂解二茂铁时,产物中有许多纳米碳管,与裂解二者的混合物相比,该碳管的管长较短,管径较粗,约为6O~100nm;产物中也含有更多无定性炭,金属催化剂颗粒等杂质.该结果说明,采图4碳纳米管的XRD图用CVD法裂解二者混合物制备碳纳米管过程中,二茂铁作为催化物前驱体,在高温下分解出纳米级Fe原子和C原子,这两种原子形成Fe-C的固溶体,然后C原子从过饱和的固溶体析出,长出碳管;同时,Fe原子的催化作用是在碳管两侧同时进行的,导致生成的MWNTs管壁上缺陷多,石墨结构不完整,如图2和图3所示.精煤是许多有机和无机化合物的混合物,这些物质的化学结构间存在弱键,在一定条件下可断键释放出一系列烃类活性组分如烷烃和芳香烃等l2].在金属催化剂Fe原子的作用下,活性组分为CNTs的生长提供碳源此外,煤中含有较高含量的灰分物质表明,它可以提高纳米碳管的石墨化程度并促进金属的催化作用以致提高碳管产率[1415].裂解精煤与二茂铁混合物所得碳管形貌比单独裂解二茂铁所得碳管形貌好,杂质含量少,说明精煤中含有的灰分物质对碳管生长也起促进作用.3结论采用化学气相沉积法,在反应时间为2h,温度为1000℃,精煤与二茂铁的质量比为1:3的条件下,裂解精煤与二茂铁的混合物制得MWNTs.研究MWNTs的生长机理结果表明,二茂铁作为催化剂前驱体同时为碳纳米管的生长提供碳源;精煤既作为碳源,同时煤中含有的灰分物质在碳纳米管的生长过程中起到了重要作用.第11期张璐等:化学气相沉积法制备多壁碳纳米管?39?参考文献[1]Iijimas.Helicalmicrotubulesofgraphiticcarbon[J].Nature, 1991,354(7):56.L1OJ[2]JieshanQiu,ZhiyuWang,ZongbinZhao,eta1.Synthesisofdouble-walledcarbonnanotubesfromcoalinhydrogen-freeat一[111 mosphere[J].Fuel,2007,86:282—286.[3]程大典,余荣清,刘朝阳,等.碳纳米管的激光溅射产生[J].高等学校化学,1995,16(6):948—949.[121[4]ChengHM,LiF,SuG,etaLLarge-scaleandlow-costsyn—thesisofsingle-walledcarbonnanotubesbythecatalyticpyroly—sisofhydrocarbons[J].ApplPhysLett,1998,72:3282—3284.L13] [5]陈萍,王培峰,林国栋,等.低温催化裂解烷烃法制备碳纳米管[J].高等学校化学,1995,16(11):1783—1784.[6]孙晓刚,曾效舒.化学气相沉积法制备多壁碳纳米管研究[J]. 中国粉体技术,2002,8(5):34—36.L14j[7]DasguptaK,RamaniV enugopalan,SathiyamoorthynThe productionofhighpuritycarbonnanotubeswithhighyieldu—singcobaltformatecatalystoncarbonblack[J].MateLett,Ll5J 2007.,[8]邱吉山,韩红梅,周颖,等.由两种烟煤制备碳纳米管的探索性研究[J].新型炭材料,2001,16(4):1-5.GiuseppeG,RicardoV,JulienA,eta1.C2H6asanactivecar—bonsourceforalargescalesynthesisofcarbonnanotubasby chemicalvapordeposition[J].ApplCatal,2005,279:89—97.田亚峻,谢克昌,攀友三.用煤合成碳纳米管新方法[J].高等学校化学,2001,22(9):1456—1458.BakerRTK,HarrisPS,ThomasRB,eta1.Forraationof filamentouscarbonfromiron,cobaltandchromiumcatalyzed decompositionofacetylen[J].Catal,1973,30:86—95. KasuyaA,SakakiY,SaitoY,eta1.Evidenceforsize-depend—entdiscretedispersionsinsingle-wallnanotubes.PhysRevLett,1997:78:4434.QiuJS,AnYL,ZhaoZB,eta1.Catalyticsynthesisofsingle-walledcarbonnanotubesfromcoalgasbychemicalvapordepo—sitionmethod[J].FuelProcessingTechnology,2004,85:913—920.SaitoY,NakahiraT,UemuraSGrowthconditionsofdouble- walledcarbonnanotubesinarcdischarge[J].JPhysChem,2003,107(B):931—934.LiHJ,GuanLh,ShiZJ,eta1.Directsynthesisofhighpurl—tysingle-walledcarbonnanotubesfibersbyarcdischarge[J].J PhysChem,2004,108(B):4573—4575.收稿日期:2007-06-29lllllllllllllllllllllllllllllllllllllll,llllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllll (上接第36页)因此可以预测,用NHFePO4作为前驱体来制备LiFePO4可行的,而且将会很好地改善LiFePO4电池的电化学性能.邑{嘤波数/era图1样品的FTIR谱图20/(.)图2样品的XRD谱图一■a)最佳:I艺条件的样晶(b)正交宴验l的样品图3样品的SEM谱图图3是NH4FePO4的SEM谱图,样品(a)是最佳工艺条是件下制备的材料,样品(b)是按正交实验1的条件所制备的材料.从图中可以看出,样品(a)颗粒基本上是球形颗粒,平均粒径为1.6m,通过测试,其振实密度为1.73g/cm3.而样品(b)则是以不规则形状的颗粒为主,其振实密度也只有1.57g/cm3.3结论(1)用共沉淀法成功地合成出球形NH4FePO4.(2)用正交实验得到了共沉淀法合成NHFePO的最佳工艺条件:pH值为5.5,混合液流速为225mL/h,搅拌速度为120r/min,Fe浓度为1.0mol/L,反应体系温度为45.C,柠檬酸用量为混合液体积的6,NHs?HzO浓度为2.0mol/L.(3)在最佳工艺条件下,所得到NHFePO4的振实密度达到1.73g/cm3,为球形颗粒.参考文献[1]Y angSF,SongYN,NgalaK,eta1.PerformanceofLiFeP04 aslithiumbatterycathodeandcomparisonwithmanganeseand vanadiumoxides_J].PowerSources,003,119:239—246.[2]HuangH,YinSC,NazarLF.Approachingtheoreticalcapac—ityofLiFePO4atroomtemperatureathighrates[J].Electro—chemicalandSolid—Stateletters,2001,10(4):A170一A172. [3]ParkKS,SonJT,ChungHT,eta1.Surfacemodificationby silvercoatingforimprovingelectrochemicalpropertiesofLiFe—PO4_J].SolidStateCommunications,2004,129:311-314.[4]ProsiniPP,CarewskaM,ScacciaSLong—termcyclbilityof nanostructuralLiFePO4rJ_.ElectrochemicalActa,2003.48: 4205—4211.[5]卢俊彪,唐子龙,张中太,等.镁离子掺杂对LiFePO4/C材料电池性能的影响[J].物理化学,2005,21:319—323.[6]吴江,宋志方,罗新文,等.MH—Ni电池正极材料球形氢氧化镍的研究[J].江西化工,2005,3;75—78.收稿日期:2007-06-20《,。

碳纳米管的制备技术与应用

碳纳米管的制备技术与应用

碳纳米管的制备技术与应用碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)是一种以碳元素为原材料制备的一维纳米材料,由于其具有良好的力学性能、电学特性以及化学稳定性等特点,已经成为当今研究领域中最为热门的材料之一。

本文将介绍碳纳米管的制备技术以及其在各个领域的应用。

一、碳纳米管的制备技术碳纳米管的制备技术可以分为两种类型:单壁碳纳米管(Single-walled carbon nanotubes,SWCNTs)和多壁碳纳米管(Multi-walled carbon nanotubes,MWCNTs)。

1. SWCNTs的制备技术SWCNTs是由单个碳原子组成的圆柱形分子,其直径只有1纳米左右,是碳纳米管中最小的一种。

目前SWCNTs的制备技术主要有以下几种:(1) 弧放电法:将石墨电极在惰性气体氛围下通电,随着通电时间的延长,在电极表面就会形成一个由碳原子组成的弧,此时就会产生SWCNTs。

(2) 化学气相沉积法:将碳源放入通有气源的高温管道中,在特定的条件下产生SWCNTs。

(3) 气味解法:将金属铝、镁等材料和碳合成物物质放入高温的石墨炉中加热,从而产生SWCNTs。

2. MWCNTs的制备技术MWCNTs是由许多个碳单层环形结构套在一起形成的管状结构,由于其具有较高的机械强度和导电性能,因此在材料科学等领域有着广泛的应用。

其制备主要有以下几种方式:(1) 化学气相沉积法:将碳源放入通有气源的高温管道中,在特定的条件下产生MWCNTs。

(2) 电磁纺丝法:将金属铜制成细丝,并加热到一定温度,然后向铜丝上喷射石墨或其它碳源,从而产生MWCNTs。

(3) 化学还原法:将单壁和多壁碳纳米管分散在水溶液中,然后将还原剂缓慢加入到溶液中,之后用超离心机或过滤器将沉淀的MWCNTs分离出来。

二、碳纳米管在材料科学中的应用碳纳米管因其高催化性能、热稳定性及导电性能等优异特点,将在材料科学领域中得到广泛的应用。

多壁碳纳米管的纯化方法

多壁碳纳米管的纯化方法

多壁碳纳米管的纯化方法多壁碳纳米管(Multiwalled carbon nanotubes,简称MWCNTs)是由多个同心圆的石墨层所构成的碳纳米管结构。

在制备过程中,MWCNTs 往往伴随着杂质和残留物,因此需要进行纯化处理以去除这些杂质,以保证其物理和化学性质的纯净性。

本文将介绍一些常用的多壁碳纳米管的纯化方法。

1.酸洗法:酸洗法是最常用的多壁碳纳米管纯化方法之一、首先,将MWCNTs加入到强酸(如浓硝酸和浓硫酸的混合物)中,然后在搅拌的条件下进行酸洗。

酸洗的过程可以去除大部分的杂质和残留物,如金属催化剂、沉淀物和有机物。

洗涤完毕后,用去离子水或酒精洗涤脱离酸性环境,并使用离心机将碳纳米管进行沉淀、干燥和分散。

2.热处理法:热处理法是另一种常用的多壁碳纳米管纯化方法。

该方法通过高温处理MWCNTs来去除残留的催化剂和有机物。

在热处理的过程中,MWCNTs通常被置于空气或惰性气体气氛中进行。

其中,空气气氛中的高温处理(通常在500-600摄氏度)会氧化MWCNTs表面的残留有机物,而惰性气体气氛中的高温处理(通常在700-1000摄氏度)可以去除残留的催化剂。

3.离子液体浸渍法:离子液体浸渍法是一种相对温和的多壁碳纳米管纯化方法。

首先,将离子液体溶解在合适的溶剂中,然后将MWCNTs置于溶液中浸泡。

通过离子液体的相互作用,MWCNTs表面的杂质和残留物可以与离子液体结合并溶解,从而达到纯化的目的。

最后,用溶剂将MWCNTs洗涤干净,并用离心机进行沉淀、干燥和分散。

4.气相氧化法:气相氧化法是一种纯化效果较好的方法,可以去除大多数的残留物和杂质。

在气相氧化法中,MWCNTs通常被置于高温氧气或臭氧气氛中进行氧化处理。

这样可以使残留的有机物氧化为揮发性物质并挥发出去,同时氧化能够引发石墨层之间的氧化和断裂,有助于去除残留的催化剂。

总结起来,多壁碳纳米管的纯化方法有酸洗法、热处理法、离子液体浸渍法和气相氧化法等,每种方法都有其特点和适用场景。

多壁碳纳米管浆料

多壁碳纳米管浆料

多壁碳纳米管浆料是一种由多壁碳纳米管分散在溶剂中形成的悬浮液,也称为多壁碳纳米管水性浆料或多壁碳纳米管分散液。

它具有优异的物理和化学性能,如高导电性、高稳定性、高耐腐蚀性和高耐磨性等,因此在许多领域都有广泛的应用前景。

多壁碳纳米管浆料的主要成分包括多壁碳纳米管、溶剂和分散剂。

其中,多壁碳纳米管是主体,起到主要的导电作用;溶剂是分散介质,起到使碳纳米管分散的作用;分散剂则是用来防止碳纳米管在溶剂中发生聚沉,使碳纳米管能够稳定地悬浮在溶剂中。

制备多壁碳纳米管浆料的方法主要有物理分散法和化学分散法两种。

物理分散法是通过机械搅拌、超声波振荡等方式将碳纳米管分散在溶剂中,该方法简单易行,但制备的浆料质量较低。

化学分散法则是在碳纳米管表面引入一些活性基团,使其与溶剂分子之间产生相互作用,从而更容易在溶剂中分散。

多壁碳纳米管浆料的应用非常广泛。

在电子领域,可用于制造柔性电极材料、电子器件等;在新能源领域,可作为导电添加剂用于提高电极材料的导电性能;在复合材料领域,可与其它材料复合制备高性能复合材料;在生物医学领域,可用于药物传输、生物成像和肿瘤治疗等。

总之,多壁碳纳米管浆料是一种具有优异性能的新型材料,其制备和应用研究已成为当前材料科学研究的热点之一。

随着研究的深入,多壁碳纳米管浆料将在更多领域得到应用,为人类的生活和经济发展带来更多的益处。

水溶性多壁碳纳米管的制备_申前进

水溶性多壁碳纳米管的制备_申前进

中有限的分散性和溶解性在一定程度上限制了它的 研究和应用。因此, 对碳纳米管分散性能的探索成为 碳纳米管研究领域中的重要内容之一。通过共价和 非共价的方法对其进行修饰, 可有效地改善碳纳米管 的分散性能
[ 5 ]
。共价方法[6-10]( 如强酸氧化法) 一般
第2 期
申前进 等: 水溶性多壁碳纳米管的制备
Solubility increase of multiwalled carbon nanotubes in water
2 SHEN Qianjin1, , LIU Xinbin3 ,JIN Weijun1 .
( 1 . College of Chemistry,Beijing Normal University,Beijing 100875 ,China; 2 . State Key Laboratory of Solid Waste Reuse for Buildng Materials,Beijing 100041 ,China; 3 . LuAn Coal Mining ( Group) Co. ,LTD,Changzhi Shanxi 046204 ,China)
[ 18 ]
, 研究了一种羟基化多壁碳纳米
管( MWCNTols ) 的制备方法。 采用 PVP 对 MWCNTols 进行包裹, 制得经 PVP 包裹的羟基化多壁碳纳 MWCNTols ) 。 经 过 非 共 价 的 包 裹 作 用 米管 ( PVP后, 进一步增强了多壁碳纳米管在水中的溶解性能。 此方法简单、 反应条件比较温和, 分散产物稳定。
2
2. 1
实验
试剂和仪器
3
3. 1
结果与讨论
walled carbon nanotube, 多壁 碳 纳 米 管 ( MultiMWCNTs,纯 度 大 于 90% , 管 径 30 ~ 50 nm , 管长 50 μm , 中国科学院成都有机化学有限公司) , 未经纯 分 析 纯, 北京化工 化直 接 使 用; 氢 氧 化 钠 ( NaOH, 厂) ; 30% 过氧化氢 ( H2 O 2 , 分析纯, 北京化工厂) ; 十 二烷基硫酸钠 ( Sodium dodecyl sulfate,SDS ,化学 纯, 北京化学试剂公司 ) ; 聚乙烯吡咯烷酮 ( Polyvinylpyrrolidone,PVP,平均分子量 8000,Alfa Aesar 公司) ,无水乙醇( 分析纯, 北京化工厂) 。

多壁碳纳米管电化学电极的制备

多壁碳纳米管电化学电极的制备

多壁碳纳米管电化学电极的制备1. 引言多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotubes,MWNTs)由数个碳原子层成的管状结构,是一种应用前景广泛的纳米材料。

MWNTs因其高比表面积、导电性和化学惰性等特性,被广泛应用于传感器、电化学电极、催化剂等领域。

尤其是在电化学传感器领域,MWNTs具有很高的灵敏度和选择性。

在电化学传感器中,MWNTs可用于制备各种传感器电极,如电化学传感器、光电化学传感器、生物传感器等。

在电化学传感器中,电极是关键的组成部分。

可控地制备MWNTs 电化学电极对于电化学传感器的性能有重要影响。

本文将介绍MWNTs 电极的制备方法。

2. 实验设备和试剂实验设备:扫描电子显微镜(SEM)、恒电位电化学工作站、热电偶仪、pH计、程控电位斜率仪(CV)。

试剂:多壁碳纳米管、乙醇、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、丙酮、硝酸、氯化铂、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、柠檬酸三钠、氢氧化钠。

3. 实验方法3.1 多壁碳纳米管的预处理将所需多壁碳纳米管放入较干燥的烘箱中加热,除去杂质和水分,并保持其中的纳米管容易受到电极表面的吸附。

3.2 多壁碳纳米管电极的制备3.2.1 悬浮液的制备取一定量的多壁碳纳米管,加入乙醇中,用超声波处理30分钟,使多壁碳纳米管均匀分散在溶液中。

3.2.2 电极涂覆将玻璃基底(或其他电极基底)放在电极台上,取少量多壁碳纳米管悬浮液滴在玻璃基底上,再用刮刀将其平均涂布于电极表面,使其均匀地覆盖电极表面。

将制备好的电极在室温下干燥,形成多壁碳纳米管电极。

3.3 电极修饰将电极放入硝酸溶液中,进行氧化修饰处理,以增强电极表面的氧化还原反应活性。

3.4 沉积取适量的氯化铂和N,N-二甲基甲酰胺混合,用超声波处理,再将其滴在电极表面,待自然沉积,得到修饰后的多壁碳纳米管电极。

4. 结论MWNTs电极的制备方法如下:预处理多壁碳纳米管、制备悬浮液、电极涂覆、电极修饰、沉积。

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文献讲解
3 实验结果与讨论
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文献讲解
3 实验结果与讨论-结论
• 可以使用Cr2 − xFexO3的固溶体做催化剂天然气为碳源合 成多壁碳纳米管 • 使用H2作为保护气氛比Ar2效果更好
合成
气氛
• 使用铁含量40%的催化剂能得到较高量的多壁碳纳米 催化 管

纯化
• 合成后的碳纳米管可以用强氧化性酸如浓硝酸除去部 分铬化合物 27
基础知识
1.3催化热解法制备碳纳米管的生长机理
多壁碳纳米管生长分为两个步骤:首先吸附在催化剂上的碳氢 分子裂解产生碳原子,然后碳原子通过扩散到催化剂另一面沉 积形成多壁碳纳米管。
顶部生长机理
底部生长机理
气液固生长机理
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基础知识
1.3催化热解法制备碳纳米管的生长机理
催化剂始终在碳纳米管顶部,吸附并催化裂 解碳氢分子而产生碳原子,碳原子在催化剂 顶部生长机理 表面扩散或穿过催化剂进入多壁碳ห้องสมุดไป่ตู้米管, 实现生长。
粉末
2h
19
文献讲解
2.2实验过程-碳纳米管的制备
A)蠕动泵 B)流量计 C)液体前体蒸发器 D)电烤炉 E)碳纳米管生长的基体 F)热电偶 G)石英管 H)观察窗口 20
文献讲解
3 实验结果与讨论-催化剂
烧结前的催化剂为无定形粉末,烧结后催化剂的成分是 Cr1.3Fe0.7O和Fe2O3。按配比催化剂的组成应为Cr1.1Fe0.9O3 21
随着催化剂中 铁含量的增加 碳纳米管的产 率增加,催化 剂在250℃600℃时迅速 减少是由于残 留有机物的燃 烧和水分的蒸 发。合成温度 下重量的减少 是由于碳纳米 管的燃烧 24
文献讲解
3 实验结果与讨论
催化剂中 铁含量的 增加没有 引起碳纳 米管直径 的显著变 化
不同催化剂碳纳米管的SEM图像
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基础知识
1.2催化热解法-喷淋法
喷淋法是将催化剂溶解于液体碳源中,利用泵将溶液 中的碳源喷洒到反应炉内,在反应温度下进行纳米碳 管的生长。 特点:可以实现大量制备纳 米碳管,但是由于催化剂和 碳氢化合物的比例难以优化, 喷洒过程中铁颗粒分布不均, 喷洒的催化剂颗粒较难以纳 米级形式存在,因此碳管所 占比例少,且常有大量炭黑 生成。
多壁碳纳米管的制备 -催化热解法
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目录
基本知识
文献讲解 总结展望
2
基础知识
1.1多壁碳纳米管 • 多壁碳纳米管可以看成是不同管径的单壁碳纳米 管套装而成,少则2层多则达十几层,层距约为 0.343nm,每层纳米管是由一个碳原子通过sp2杂 化与周围3个碳原子完全键和后所构成的六边形平 面组成的圆柱面,碳纳米管直径在几纳米到几十 纳米之间,而长度可达数微米,具有较大的长径 比。
催化剂。
采用SCS技术可以获得纳米级的氧化物催化剂
表面积高达50m2/g
用天然气作为碳源成本低,可以大规模生产。
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文献讲解
2.2实验过程-催化剂的制备
(NH4)2Cr2O7
100ml水 不锈钢杯
Fe(NO3)3.9H2O
水溶液
5mlHNO3
水溶液 10ml
甘氨酸 催化剂
900℃ 400℃
文献讲解
3 实验结果与讨论
只有使用含铁组 分的催化剂,并 在H2气氛下合成 产物中才有多壁 碳纳米管,碳纳 米管的直径在540nm之间
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文献讲解
3 实验结果与讨论 通过对比我 们可以发现 在氩气氛围 下合成的产 物G/D相对比 较低,存在 较多的无序 碳和高缺陷 碳纳米管,
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文献讲解
3 实验结果与讨论
催化剂
金属粉体催化剂
采用合金粉末作为催化剂.
金属有机化合物催 化剂
催化活性中心的提供者,又是碳源
催化效率很高,有利于CNTs的定向.
催化剂的种类及颗粒大小对碳纳米管的产率、纯度及 管径等都有较大的影响。
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基础知识
1.2催化热解法-气氛
主要为碳氢化合物和碳氧化合等,常用 的有甲烷、乙炔、乙烯、丙烯、一氧化 碳及苯等.
基础知识
1.4多壁碳纳米管的纯化
物理方法
纯化方法
利用超声波降解、离心、沉积和过滤 等方法分离杂质碳与纳米碳管,从而 获得纯的多壁碳纳米管。 纯化时往往几
种方法同时采 利用多壁碳纳米管与碳纳米颗粒等杂 用得到纯度较 质之间氧化速率不一致来实现,碳纳 高的产物
化学方法
米管主要由呈六边形排列的碳原子构 成(端口、缺陷及弯曲部分存在五元 环和七元环),较无定形碳、石墨碎 片、碳纳米颗粒等不易氧化,从而达 到纯化目的。
15 液相腐蚀法、气体氧化法、甲烷化法、高温退火法、化学改性法等
基础知识
1.2多壁碳纳米管的应用
场发射
催化剂 材料 储氢材 料
多壁碳 纳米管
复合增 强材料 特殊吸 附材料 分子电 子器件
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文献讲解
17
文献讲解
2.1本次实验的创新点
Cr2 − xFexO3的固溶体广泛互溶,具有良好的分
散性,并且首次使用Cr2 − xFexO3的固溶体作为
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参考文献
[1] 张璐.多壁碳纳米管的制备. 北京交通大学.北京.2007 [2] M.D. Lima ,R. Bonadiman. Synthesis of multi-walled carbon nanotubes by catalytic chemical vapor deposition using Cr2 − xFexO3 as catalyst. Diamond and related materials. 2006.
还原催化剂和刻蚀非晶 碳
碳源气体
反应气体
H2
辅助气体
Ar N2
保护催化剂及碳纳米管 不被氧化,同时也起到 载气的作用 8
基础知识
1.2催化热解法-基体法
基体法是用石墨或陶瓷作基体,将催化剂附着于此基 体上,以这些催化剂颗粒作“种子”,高温下通入含 碳气体使之分解并在催化剂颗粒上形成纳米碳管。
特点:可制备纯 度较高的碳纳米 管,但是超细催 化剂的制备非常 困难,且不易在 基体上喷洒均匀, 产量不高,难以 工业化生产。
生长机理
底部生长机理 碳管的末端与催化剂相连,碳原子从碳管底 部扩散进入石墨层网络,挤压形成碳纳米管。
碳帽机理
催化剂纳米微粒的直径只有几个纳米,其表 面原子占有很大的比例,产生很大的表面能, 使得过量的碳在催化剂表面沉积形成碳帽。
800~1000℃呈液态的催化剂微粒是反应的 活性点,它吸收气体中的碳原子簇直至过饱 气液固相机理 和状态,过饱和的碳原子簇沉析出来形成多 13 壁碳纳米管。
总结展望
人们正在努力探索各种制备多壁碳纳米管的物理和 化学新方法,以期获得高纯度、产量大、管径均匀 可控、缺陷少、操作方便且成本低廉的多壁碳纳米 管,以拓宽领域。虽然多壁碳纳米管的制备方法很 多,但最有可能实现工业化生产的是CVD法。CVD 法虽已得到较多研究,但仍有许多细节问题有待进 一步完善,提高产量和纯度、降低成本、管径可控 和管向可控将是碳纳米管制备技术的主攻方向。
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基础知识
1.1多壁碳纳米管
石墨电弧法 制备方法
催化热解法
基体法
喷淋法
激光蒸发法 等
流动催化法
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基础知识
1.2催化热解法
• 催化热解法(化学气相沉积法):是以易分解的有机 物、含碳单质或化合物为碳源。在500-1200℃温度 范围内在过渡金属元素催化剂的作用下,使碳源分解 产生碳原子。
特点:催化热解法成本低、产量高、实验条件易于 控制,通过控制催化剂的模式可以得到定向阵列的 多壁碳纳米管,是最有希望实现大量制备高质量多 壁纳米管的方法。 影响因素:催化剂的种类、热解温度、反应气体、 反应时间等
基础知识
1.4多壁碳纳米管的纯化
无论采取何种方法,制备的多壁碳纳米管产物中都会有金属催 化剂颗粒、无定形碳、石墨碎片、碳纳米颗粒等杂质的存在, 制约着有关碳纳米管性能的研究和应用潜力的开发,因此对碳 纳米管产物的纯化成为很重要的步骤。
除去催化 剂颗粒
除去杂质 碳
消除结构 缺陷
多壁碳 纳米管 纯化
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基础知识
1.2催化热解法-流动催化法
直接加热催化剂的前驱体,让催化剂以气体的形式同烃类气体 一起引入反应室,在不同温区完成催化剂和烃类气体的分解, 分解的催化剂原子逐渐聚集成纳米级颗粒,浮游在反应空间, 最终形成多壁纳米碳管。
特点:从有机化合物分解出的催化剂颗粒可在三维空间内分布, 且催化剂挥发量可直接控制,因此单位时间内产量较大,可连 11 续生产。
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[3] 张璐. 化学气相沉积法制备多壁碳纳米管. 化工新型材料. 北京交通大学. 北京. 2007.35(11) [4]侯超,刘宝春等.化学气相沉积法制备多壁碳纳米管.化工新 型材料. 南京.2008. 36(12) [5] Melek Cumbul Altay, Serafettin Eroglu. Synthesis of multiwalled C nanotubes by Fe–Ni (70 wt.%) catalyzed chemical vapor deposition from pre-heated CH4. materials letter. 2012.124-127
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基础知识
1.2催化热解法-碳源
固相
石墨(最常用)
碳源
液相
气相
乙醇、石蜡等
CO、烃类气体、低沸点的金属茂等
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基础知识
1.2催化热解法-催化剂
负载型催化剂
CVD法使用最多的催化剂,常用的是Fe、Co、 Ni等过渡金属. 过渡金属粉体也可直接催化制备不定向CNTs, 但制备的CNTs的质量和产量都比较差,通常
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