碳纳米管石墨烯的制备
石墨烯碳纳米管复合导电剂制备工艺流程-概述说明以及解释
石墨烯碳纳米管复合导电剂制备工艺流程-概述说明以及解释1.引言1.1 概述石墨烯碳纳米管复合导电剂是一种具有优异导电性能的新型材料。
由于石墨烯具有高导电性和优异的机械性能，而碳纳米管具有高比表面积和良好的导电性能，两者复合后能够进一步提升导电性能和机械强度。
因此，石墨烯碳纳米管复合导电剂在多领域应用中具有广阔的潜力。
本文旨在探讨石墨烯碳纳米管复合导电剂的制备工艺流程。
首先，我们将介绍石墨烯和碳纳米管的制备方法，包括化学气相沉积法、电化学剥离法等。
然后，我们将详细介绍石墨烯碳纳米管复合导电剂的制备方法，包括物理混合法、化学还原法等。
我们将重点关注制备方法对复合导电剂结构和性能的影响。
在制备方法介绍的基础上，我们将进行石墨烯碳纳米管复合导电剂的性能分析。
我们将从导电性能、机械性能和热稳定性等方面对其进行评估，以了解复合导电剂在实际应用中的潜力和限制。
这将为进一步优化制备工艺提供指导和依据。
通过对石墨烯碳纳米管复合导电剂制备工艺的研究和性能分析，我们可以更好地理解其在导电材料领域的应用前景。
结论部分将总结研究结果，并对未来该领域的研究方向提出展望，以促进该领域的发展和应用。
1.2 文章结构本文主要从石墨烯碳纳米管复合导电剂的制备工艺流程入手，探讨了石墨烯和碳纳米管的制备方法以及它们的性能分析。
全文结构如下：第一部分为引言。
在概述中，介绍了石墨烯碳纳米管复合导电剂在电子行业中的重要性和应用前景。
在文章结构部分，介绍了本文的整体结构和各个部分的内容。
同时，明确了本文的目的，即通过详细介绍制备工艺流程和性能分析，为该领域的研究和应用提供参考。
第二部分为正文。
首先，介绍了石墨烯的制备方法，包括化学气相沉积法、化学氧化还原法等常用方法。
然后，介绍了碳纳米管的制备方法，包括电弧放电法、化学气相沉积法等常用方法。
接着，详细介绍了石墨烯碳纳米管复合导电剂的制备方法，包括石墨烯和碳纳米管的混合、复合等步骤。
最后，对制备方法进行了性能分析，包括导电性能、力学性能、稳定性等指标的评估。
碳纳米管和石墨烯简介
碳纳米管的应用
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。
碳纳米管的应用
无碳纳米管（左）和有碳纳米管（右） 情况下的大肠杆菌对比照片 一项最新研究表明，单壁碳纳米管能够严重破坏大 肠杆菌等细菌的细胞壁，从而将其杀灭。将有助于解 决细菌抗药性这一日益突现的问题。
石墨烯的应用
超级电容器：
超级电容器是一个高效储存和传递 能量的体系，它具有功率密度大，容量 大，使用寿命长，经济环保等优点，被 广泛应用于各种电源供应场所。石墨烯 拥有高的比表面积和高的电导率，不像 多孑L碳材料电极要依赖孔的分布，这使 它成为最有潜力的电极材料。以石墨烯 为电极材料制备的超级电容器功率密度 为10kW／kg，能量密度为28．5Wh ／kg，最大比电容为205F／g，而且 经过1200次循环充放电测试后还保留 90％的比电容，拥有较长的循环寿命。 石墨烯在超级电容器方面的潜在应用受 到更多的研究者关注。
A brief introduction of
应化0902
张一恒
碳纳米管
碳纳米管是在1991年1月由日本筑波NEC实验室 的物理学家饭岛澄男使用高分辨率分析电镜从电弧法生产 的碳纤维中发现的。它是一种管状的碳分子，管上每个碳 原子采取SP2杂化，相互之间以碳-碳σ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。每个碳 原子上未参与杂化的一对p电子相互之间形成跨越整个碳 纳米管的共轭π电子云。按照管子的层数不同，分为单壁 碳纳米管和多壁碳纳米管。管子的半径方向非常细，只有 纳米尺度，几万根碳纳米管并起来也只有一根头发丝宽， 碳纳米管的名称也因此而来。而在轴向则可长达数十到数 百微米。 碳纳米管不总是笔直的，局部可能出现凹凸的现 象，这是由于在六边形结构中混杂了五边形和七边形。出 现五边形的地方，由于张力的关系导致碳纳米管向外凸出。 如果五边形恰好出现在碳纳米管的顶端，就形成碳纳米管 的封口。出现七边形的地方碳纳米管则向内凹进。
新型碳材料的制备及应用
新型碳材料的制备及应用第一章碳材料的概述碳是一种化学元素，丰度第四，拥有多种形态，包括石墨、金刚石、纳米碳管等。
碳材料具有很强的化学和物理性质，因此被广泛应用于许多领域，如电子学、材料科学、化学、医学等。
第二章新型碳材料的制备在现代科技领域中，不断研究和发现新的碳材料制备方法。
新型碳材料具有更高的性能和更广泛的应用范围。
以下是几个新型碳材料制备的例子。
1. 石墨烯制备石墨烯是一种单层碳原子构成的二维材料，具有很高的导电性和机械强度。
石墨烯的制备方法包括机械剥离、化学气相沉积和化学还原等。
2. 碳纳米管制备碳纳米管是碳原子构成的管状结构，具有优异的机械、电学和热学性质。
碳纳米管的制备方法包括化学气相沉积、电化学还原和羟基磷灰石模板法等。
3. 炭材料制备炭材料具有高度的孔隙率和机械强度，可用于催化剂载体和能量存储材料。
炭材料的制备方法包括化学气相沉积、碳化剂法和模板法等。
第三章新型碳材料的应用新型碳材料由于其优异的性能，被广泛应用于电子学、材料科学、化学、医学等领域。
1. 电子学石墨烯和碳纳米管等新型碳材料具有优异的电学性能，可用于电子器件的制造。
石墨烯晶体管是一种新型的高性能晶体管，可用于高速集成电路的制造。
同时，碳纳米管晶体管可用于制造场效应管和单电子晶体管等。
2. 材料科学新型碳材料在材料科学方面的应用十分广泛。
炭材料具有优良的吸附性和孔隙度，可用于催化剂载体和能量存储材料。
同时，石墨烯具有高度的机械强度和导电性，可用于制造复合材料和纳米催化器等。
3. 化学新型碳材料在化学方面的应用也十分广泛。
炭材料和石墨烯可用于染料敏化太阳能电池和光催化反应器等。
同时，碳纳米管可用于制造高效催化剂，用于石油加工和制药等方面。
4. 医学新型碳材料在医学方面的应用也有很大的潜力。
石墨烯和碳纳米管等具有生物相容性。
石墨烯和碳纳米管可以作为药物载体和生物传感器，用于制造新型的肿瘤治疗和生物分析检测仪器等。
第四章总结新型碳材料由于其优异的性能，被广泛应用于电子学、材料科学、化学、医学等领域。
碳纳米管的制备和表征研究
碳纳米管的制备和表征研究碳纳米管是一种非常重要的纳米材料，由于其具有优异的物理和化学性质，能够广泛应用于电子、化学、生物和医学等领域，成为了当今最热门的研究课题之一。
本文将介绍碳纳米管的制备和表征研究，旨在尽可能全面深入地介绍它的相关研究进展。
一、碳纳米管的制备方法碳纳米管的制备方法主要有以下几种：1. 等离子体增强化学气相沉积法该方法先用金属作为催化剂，在氧化镁或氧化铝的载体上制备成催化剂阵列，通过引入碳源和氢气，使用等离子体的方式来生成碳纳米管。
2. 化学气相沉积法该方法将催化剂和碳源同时放置在反应器内，不用外加能量，通过化学反应来制备碳纳米管。
3. 化学还原-热解法该方法先用催化剂将氧化石墨烯还原为石墨烯，然后利用热解技术进行碳化反应，制备碳纳米管。
以上三种方法是主流的制备碳纳米管的方法，但随着研究的深入，其它方法，如水热合成法、溶液-液相界面法等也逐渐被应用于制备碳纳米管。
二、碳纳米管表征技术为了对制备的碳纳米管进行表征和刻画，研究人员开发出了各种表征技术来研究其结构和性质，下面我们来介绍一些常用的表征技术：1. 透射电子显微镜(TEM)透射电子显微镜是最常用的碳纳米管表征技术之一，通过它可以直观的获得碳纳米管的观察图像。
2. 扫描电子显微镜(SEM)与TEM不同，扫描电子显微镜可以观察到碳纳米管的表面形貌，并能够获得表面形貌的三维结构图像。
3. 拉曼光谱(Raman)拉曼光谱具有非常高的灵敏性和分辨率，能够通过对碳纳米管的拉曼光谱图像进行功率谱分析，可以获得碳纳米管的结构、相互作用和物理特性等信息。
4. X射线粉末衍射(XRD)利用X射线的衍射实验，可以得到碳纳米管的晶格结构，晶格常数以及结晶度等信息。
5. 热重分析(TGA)热重分析可以帮助我们展现出材料在温度变化下的失重信息，从而推断出碳纳米管的热稳定性和热分解温度等相关信息。
以上技术对于制备和表征碳纳米管都有非常大的帮助，不同的表征方法可以从不同角度来对碳纳米管进行综合分析，有助于我们更好地了解碳纳米管的结构和性质。
碳纳米管和石墨烯的制备和性能
碳纳米管和石墨烯的制备和性能碳纳米管和石墨烯是当今材料领域的热门研究对象。
它们具有独特的结构和性能，在电子学、化学、材料科学、能源等领域有广泛的应用前景。
那么，碳纳米管和石墨烯是如何制备的呢？它们具有哪些特殊的性能呢？一、碳纳米管的制备碳纳米管是由碳元素构成的管状结构，具有很好的导电性和机械强度。
目前，碳纳米管的制备方法主要有以下几种：1.化学气相沉积法化学气相沉积法是一种将碳原子在高温下沉积在金属催化剂表面形成碳纳米管的方法。
在这个过程中，金属催化剂通常采用铁、镍、钴等，碳源采用甲烷、乙烯、丙烯等气体。
此方法制备的碳纳米管成本低廉，但管子的成长方向难以控制，管子结构的单一性难以保证。
2.化学气相沉积-物理溅射复合法化学气相沉积-物理溅射复合法是在气相化学沉积的基础上加入物理溅射的方法。
物理溅射可以产生高能离子束，利于碳原子在金属催化剂表面形成碳纳米管。
此方法制备的碳纳米管管子结构相对单一，但管子的成长方向还是有随机性。
3.电弧重复熔化法电弧重复熔化法是一种以石墨材料为前驱体，在高温高压条件下通过电弧放电产生碳纳米管的方法。
此方法制备的碳纳米管管子结构比较规则，但成本较高。
4.化学还原法化学还原法是通过还原剂将氧化石墨烯还原为石墨烯片层中的碳原子结构之一，从而制备碳纳米管的方法。
此方法成本低廉，制备易于规模化，但管子的长度较短。
二、石墨烯的制备石墨烯是由一层碳原子单元组成的二维晶体，具有高导电性、高机械强度、微观尺度局部弯曲等重要性能。
目前，制备石墨烯的方法主要有以下几种：1.化学气相沉积法化学气相沉积法是将碳源气体在反应室中加热，在金属催化剂表面沉积石墨烯的方法。
该方法成本较低，但制备的石墨烯质量不太稳定。
2.机械剥离法机械剥离法通过机械去除石墨材料的表层，使其分解成一层层的石墨烯。
该方法虽然简单易行，但石墨烯的面积和厚度都不太容易控制。
3.化学氧化还原法化学氧化还原法是采用氧化剂氧化石墨材料，形成氧化石墨烯后，再通过还原剂还原去除氧化物的方法制备石墨烯的方法。
碳纳米管
e) Picture of a CNT and a polymeric sponge placed in a water bath. The CNT sponge is floating on the top while the polyurethane sponge absorbed water and sank to below the surface level. f) A CNT sponge bent to arch-shape at a large-angle by finger tips. g) A 5.5cm1 cm0.18cm sponge twisted by three round turns at the ends without breaking. h) Densification of two cubic-shaped sponges into small pellets (a flat carpet and a spherical particle, respectively) and full recovery to original structure upon ethanol absorption.
范守善院士
清华大学物理系
研究领域：近十余年的研究方向集中在纳米尺度材料的 科学与技术，主要研究方向为碳纳米管的生长机理、可 控制合成与应用探索。在深入揭示和理解碳纳米管生长 机理的基础上，实现了超顺排碳纳米管阵列、薄膜和线 材的可控制与规模化制备，研究并发现了碳纳米管材料 独特的物理化学性质，基于这些性质发展出了碳纳米管 发光和显示器件、透明柔性碳纳米管薄膜扬声器、碳纳 米管薄膜触摸屏等多种纳米产品，部分应用产品已具有 产业化前景，实现了从源头创新到产业化的转换。
纳米材料—石墨烯、碳纳米管
纳米材料—石墨烯/碳纳米管1. 前言由于碳单质和化合物组成的多样性，碳及其化合物一直是材料、物理和化学领域的研究重点之一。
特别近三十年来，随着C60、碳纳米管(CNTs)、石墨烯(Graphene)等明星材料的相续发现，逐次将碳材料的研究推向高潮。
碳纳米管(CNT)和石墨烯(Graphene)分别在1991年和2004年被人们所发现。
碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料，它的径向尺寸可达到纳米级，轴向尺寸为微米级，管的两端一般都封口，因此它有很大的强度，同时巨大的长径比有望使其制作成韧性极好的碳纤维。
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维碳材料。
零维富勒烯、一维碳纳米管、二维石墨烯共同组成了骨干的碳纳米材料家族，并且它们之间可以在形式上转化（图1）。
图1 石墨烯及各种石墨形体石墨烯和碳纳米管在电学和力学等方面有着相似的性质，但由于结构不同，它们也有很多不同之处。
碳纳米管和石墨烯分别是优良的一维和二维碳材料，它们分别体现出了一维的和二维的各向异性，如导电性、力学性能和导热性等。
为了结合两者的优点，人们将石墨烯和碳纳米管共同用于复合材料。
石墨烯和碳纳米管复合材料形成三维网状结构，通过它们之间的协同效应，使其表现出比任意一种单一材料更加优异的性能，例如更好的各向同性导热性、各向同性导电性、三维空间微孔网络等特性。
基于以上性质，使得石墨烯/碳纳米管复合材料在超级电容器、太阳能电池、显示器、生物检测、燃料电池等方面有着良好的应用前景。
此外，掺杂一些改性剂的石墨烯/碳纳米管复合材料也受到人们的广泛关注，例如在石墨烯/碳纳米管复合电极上添加CdTe量子点制作光电开关、掺杂金属颗粒制作场致发射装置。
由此可见，石墨烯/碳纳米管复合材料越来越多的被人们所应用，也使得石墨烯/碳纳米管复合材料的制备和应用得到更加广泛的关注。
2. 石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法2.1 化学气相沉积法（CVD）CVD法因易于控制膜的组成及成份分散度而被广泛应用于制备石墨烯/碳纳米管复合膜。
碳基材料的制备与应用
碳基材料的制备与应用碳是地球上最丰富的元素之一，它具有良好的化学稳定性、热稳定性、机械性能和导电性能，因此，碳基材料广泛应用于电子、能源、环保等领域。
本文将介绍碳基材料的制备方法和应用。
一、碳基材料的制备方法1.碳纳米管制备方法碳纳米管是以碳为基础的一种新型材料，它的制备方法主要包括化学气相沉积、电弧放电法和激光热解等。
其中，化学气相沉积法是一种最常用的方法。
利用化学气相沉积法制备碳纳米管，在高温、高压、惰性气体环境下，将碳源气体导入反应室，通过合适的温度和催化剂，在纤维或底板上生长一定长度的一维碳纳米管。
在这种制备方法中，催化剂通常是金属纳米颗粒。
由于碳纳米管的特殊性质，它广泛应用于电子和化学传感器、储能材料、纳米催化剂等领域。
2.石墨烯制备方法石墨烯是由单层碳原子构成的二维晶体材料，它具有高强度、高导电性、高导热性、光学透明等特点，因此在透明导电材料、柔性电子、生物传感器、能源材料等领域有着广泛的应用前景。
当前，石墨烯的制备方法主要包括机械剥离法、化学气相沉积法和化学还原法等。
其中，化学气相沉积法是石墨烯制备的主要方法。
该方法通过在惰性气体环境下，将碳源化合物（如甲烷、乙烯等）在金属催化剂表面裂解分解，生成石墨烯，之后将其转移到目标基底上。
这种方法制备的石墨烯单层结构完整性高、质量稳定性好，但是制备成本高。
3.碳纳米材料制备方法碳纳米材料是指粒径小于100纳米的碳材料，包括纳米碳管、石墨烯、纳米球和各种形状的碳纳米材料等。
碳纳米材料的制备方法主要包括化学法、物理法和生物法等，其中，化学法制备的碳纳米材料应用最为广泛。
在化学法中，主要有溶剂热法、水热法、溶胶凝胶法、共沉淀法等。
这些方法的共同点是利用化学反应，通过超分子自组装或化学还原等过程，在相应的物理结构或表征上形成纳米碳材料。
使用这些方法制备的碳纳米材料表面活性高、相对应用性能稳定、表面还原性强。
二、碳基材料的应用1.能源领域碳基材料在电池、超级电容器、储氢材料、燃料电池等能源领域具有重要应用。
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Introduction
目录
碳纳米管（CNTs）的合成
一般合成方法
基于CVD方法的CNTs生长控制
生长机理 催化剂
ห้องสมุดไป่ตู้
取向和超长 SWCNTs
直径和手性控制
• 石墨烯的合成
introduction
碳纳米管 碳纳米管是由碳原子形成的石 墨烯片层卷成的无缝、中空的管 体，石墨烯的片层可以从一层到 上百层。含有一层石墨烯片层的 称为单壁纳米碳管 (single welled carbon nanotube, SWNT)，多于一 层的则称为多壁纳米碳管 (multiwalled carbon nanotube , MWNT)。 SWNT的直径一般为 1～8nm，碳 纳米管长度可达几百纳米到几个 微 米 ， MWNT 的 层 间 距 约 为 0.34nm。
Challenge for CNTs
取向
手型和直径控制 层数控制 大面积
Challenge for Graphene
制备CNTs 的一般方法
电弧放电
制备CNTs 的一般方法
激光烧蚀
制备CNTs 的一般方法
等离子体CVD
热CVD
基于CVD方法制备的CNTs的生长机理
Base growth
introduction
Novoselov, et al. Science 306, 666 (2004)
Iijima et.al. Nature 363,603(1993)
Iijima Nature,354,56(1991)
碳纳米管（carbon nanotubes, CNTs）
introduction
石墨烯的合成
Others: Unzipping MWCNTs
Dai et.al. Nature Nanotechnology 5, 321 - 325 (2010)
凝胶法分离
Tanaka et.al. Nano Lett., 2009, 9 ,1497
“透明胶带”法分离
Zhang et.al. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 6819
直接生长
CNTs的直径与手性控制
电场辅助生长
Zhang et.al. Carbon 49(2011),2555
Advantage:easily scalable to large dimensions;achieves an almost
100% single-atomic layer graphene coverage of a desired substrate; have distinct transport characteristics
UV辅助生长
Choi et.al. JACS 2009,131,14642
CNTs的直径与手性控制
直接生长
合成环对苯结构
Itami et.al. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 10202
CNT “克隆 ”Lett., 2009, 9 ,1673 Zhang et.al. Nano
Su et.al. ChemSusChem 2011, 4, 811 – 813.
单壁碳纳米管(SWNT)
结构：单层石墨片绕一定的中心卷曲而成的中空、无缝纳
米级管
直径：1-6 nm 长度：几百nm~几m，甚至mm 特性：
无层间交互作用
超级力学性能（钢的100倍） 极强的吸附性能 优异的储氢特性 高的比表面积 SWNT
Li et.al. Adv. Mater. 2010, 22, 1508
催化剂
取向和超长 SWCNTs
优势
High quality（low ID/IG） Uniform electronic property along one tube Possibility of creating integrated circuits on individual carbon nanotubes
Shortcoming:limited by the size of the substrate and the growth
chamber
氧化石墨还原途径
(Graphite→GO→Graphene)
石墨烯的合成
化学方法
化学气相沉积（CVD）
石墨烯的合成
化学合成法
化学方法
碳化硅表面外延生长法
通过加热单晶SiC脱除Si，在 单晶面上分解出石墨烯片层
多壁碳纳米管(MWNT)
MWNTs可以看成为不同管径的单壁碳纳米管（SWNTs）套装而成，
少则2层多则达十几层，层距约0.343nm，略大于石墨片层之间的距
离0.335nm。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。
双壁碳纳米管
石墨烯（graphene）
石墨烯 场效应晶体管
后处理
DNA辅助的离子交换色谱
Zheng et.al. Nature Materials 2, 338 (2003)
介电泳
Krupke, et al. Science 301, 344 (2003);
甲烷等离子体刻蚀
Dai et.al.Science 314, 974 (2006)
后处理
CNTs的直径与手性控制
SiO2 催化，控制直径和精确定位
Huang et.al. 2009, 131, 2094
石墨烯的合成
物理方法
机械球磨辅助液相剥离法
Veró nica Leó n.et al.ACS Nano, 2014, 8, 563
石墨烯的合成
高定向热解石墨
Mingsheng Xu.et al.ACS Nano, 2011, 5, 1522
s-tube ↔ FETs m-tube ↔ Interconnections
后处理
Kizek et.al. J. Mater. Chem. 2011l, DOI: 10.1039/c1jm12254a
直接生长 (原位)
Zhang et.al. Carbon 49(2011),2555
CNTs的直径与手性控制
关键：
Introduction suitable aligning force
取向和超长 SWCNTs
晶格取向
电场取向
气流取向
CNTs的直径与手性控制
手性矢量 (n, m)： n-m=3k→m-tube (1/3) n-m≠3k→s-tube (2/3) s-tube： diameter↔band structure
Tip growth
Nanoscale, 2010, 2, 1306–1323
Factors Interactions between Substrate and Catalysts
催化剂
C Source: CH4, CO, CH3CH2OH,C2H4, etc.
Catalysts:
Fe, Cu, Pb, Co, Ni, Pt,Pd, Mn, Mo, Cr, Sn, Au, Mg, Al; SiO2, ZrO2; Diamond
introduction
石墨烯纳米片层（含Fe）
Novoselov, et al. Science 306, 666 (2004)
石墨烯水凝胶
Fan et.al. ACS Nano, 2011, 5, 191
Shi et.al. ACS Nano, 2010, 4, 4324
introduction