碳纳米管的制备工艺与生长机理_朱宝华
碳纳米管的制备
碳纳米管得种类
单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、双壁碳 纳米管、定向碳纳米管、超顺排碳纳米 管、水平超长碳纳米管、掺杂碳纳米管、 螺旋碳纳米管、碳纳米管结及碳纳米管 /石墨烯杂化物
单壁碳纳米管
单壁碳纳米管:主要应用于储氢材料,添加剂得改 性
宏观尺度
宏观尺度上连续生产碳纳米管,涉及多 相催化工程、反应工程以及应用探索、 市场开拓等复杂工程、
碳纳米管合成得工程原理反应器与过程
传递与反应
团聚结构控制
化学
反应
工程
聚合
催化剂设计
调节
碳管 组装
过程 社会与环境
开发
碳纳米管合成得工程原理
催化剂设计
原子尺度上得碳纳米管生长: 包括碳纳米管生长条 件和生长机理、催化剂设计以及单根碳纳米管得可 控制备、 许多碳纳米管产品得特性,如管壁数、管径、 长度、缺陷、手性和石墨化程度等,均取决于这个尺 度上得物理化学基础控制、
碳纳米管合成得工程原理
传递与反应
反应器尺度得传递现象及碳纳米管得生长动力学: 碳纳米管生长过程包含巨大得密度、体积变化以及 由此带来得聚团结构、反应与流动状态得变化。
这种变化需要控制反应器得温度和浓度等核心生长 条件。尽管碳纳米管得生长和高分子聚合有相似之 处, 但就是碳纳米管得分子量更高, 其相关得反应传 递特性与高分子加工显著不同, 进而相关得传统加工 理念必须做出调整才能够适应类似碳纳米管得纳米 材料得宏量制备。
碳纳米管得工程原理
反应器与过程
宏观尺度得过程设计与强化: 过程尺度设计就是实 现碳纳米管产业化最为主要得工程工作; 而过程进 一步强化, 如使用更好得加工工艺操作、设计新得催 化路线以及发展经济型原料和进料方式, 可以有效提 高过程得效率。
碳纳米管的制备及在电子器件中的应用
碳纳米管的制备及在电子器件中的应用随着科技的发展，人们逐渐意识到环保和可持续发展的重要性，而碳纳米管便是一种使得技术和环保得以兼顾的新型材料。
碳纳米管是一种由碳原子组成的管状结构，具有极高的力学强度和导电性能，因此在电子器件中有着广泛的应用前景。
本文将介绍碳纳米管的制备方法及其在电子器件中的应用。
一、碳纳米管的制备方法目前，碳纳米管的制备方法主要有两种：化学气相沉积（CVD）和电弧放电法。
CVD法是一种在高温、高压和良好的气体体系下，通过化学反应制备碳纳米管的方法，常用的碳源有乙烯、乙炔等。
CVD法可以制备不同的碳纳米管，包括单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。
此方法制备的碳纳米管纯度高、直径均一。
另一种制备碳纳米管的方法是电弧放电法，该方法以金属的热氧化合物作为原料，在惰性气体的环境下进行加热并加入直流电的方法，制备出碳纳米管。
电弧放电法制备碳纳米管的特点是简单易行，但其制备的碳纳米管杂质含量高、产量低且多为多壁碳纳米管。
二、碳纳米管在电子器件中的应用1. 碳纳米管场效应晶体管碳纳米管场效应晶体管（CNTFET）是基于碳纳米管的一种新型晶体管。
该晶体管利用碳纳米管在垂直方向上的导电性和在平面方向上的限制性，形成了一种新型电子传输模式。
CNTFET可以实现晶体管的高速、低功耗和高可靠性。
因此，CNTFET有望取代硅基场效应晶体管，并在高性能和低功耗电子器件领域得到广泛应用。
2. 传感器碳纳米管具有优异的传感性能，因此适用于制备传感器。
一种碳纳米管传感器可以检测气体，基于氧化碳纳米管的传感器可以检测低浓度的气体，如一氧化碳和氨气。
此外，碳纳米管也可用于光学传感器、生物传感器和机械传感器等方面。
3. 晶体管和集成电路碳纳米管具有良好的载流子传输性能，因此可以应用于制备晶体管和集成电路。
尽管碳纳米管还未被广泛应用于晶体管和集成电路的商业制造和应用，但在实验室里已经可以制备出由数百个碳纳米管组成的原型晶体管和集成电路，并取得了良好的性能。
碳纳米管的制备方法
碳纳米管的制备方法碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）是一种具有优异性能和广泛应用前景的纳米材料，具有极高的比表面积、优异的导电性和热导率，因此在材料科学、纳米技术、能源存储等领域有着重要的应用价值。
碳纳米管的制备方法多种多样，下面将介绍几种常见的制备方法。
1. 化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition, CVD）。
化学气相沉积法是目前制备碳纳米管最常用的方法之一。
在CVD过程中，碳源气体（如甲烷、乙烯等）与载气（如氢气、氨气等）在高温条件下通过催化剂（如铁、镍、钴等）的作用下发生化学反应，生成碳原子，最终在催化剂表面形成碳纳米管。
CVD方法制备的碳纳米管质量较高，但是需要高温和高真空条件，设备成本较高。
2. 弧放电法（Arc Discharge）。
弧放电法是一种较为简单的碳纳米管制备方法，通过在高温下将碳源（如石墨）和金属催化剂（如铁、钴、镍等）放电，产生高温等离子体，从而在合成碳纳米管。
弧放电法制备的碳纳米管质量较高，但是产率较低，且需要严格控制反应条件。
3. 化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition, CVD）。
化学气相沉积法是目前制备碳纳米管最常用的方法之一。
在CVD过程中，碳源气体（如甲烷、乙烯等）与载气（如氢气、氨气等）在高温条件下通过催化剂（如铁、镍、钴等）的作用下发生化学反应，生成碳原子，最终在催化剂表面形成碳纳米管。
CVD方法制备的碳纳米管质量较高，但是需要高温和高真空条件，设备成本较高。
4. 气相凝结法（Gas-phase Condensation）。
气相凝结法是一种通过在高温下将碳源气体（如甲烷、乙烯等）在惰性气体氛围中加热，然后通过快速冷却的方法制备碳纳米管。
在气相凝结法中，碳原子在高温下先形成团簇，然后在快速冷却的条件下形成碳纳米管。
这种方法制备的碳纳米管产率较高，但是质量相对较低。
5. 水热法（Hydrothermal Synthesis）。
碳纳米管的制备方法与应用
碳纳米管的制备方法与应用碳纳米管是一种具有非常特殊性质的碳材料，它的制备方法和应用具有很大的研究价值。
本文将基于相关研究文献，探讨碳纳米管的制备方法和应用领域。
一、制备方法碳纳米管通常有两种制备方法，即“底上生长法”和“上下生长法”。
底上生长法是指在金属衬底上，利用热化学气相沉积（CVD）等方法，在高温下生长碳纳米管。
这种方法制备出的碳纳米管产量大，连续性好，但会造成衬底中金属杂质的污染。
上下生长法是指将金属催化剂沉积在碳纳米管基底上，然后在催化剂表面生长碳纳米管。
这种方法制备出的碳纳米管纯度高，但因为样品不连续，所以产量相对较低。
不同制备方法对碳纳米管的结构和性质会有所影响，因此，制备方法的选择取决于具体应用的需求。
二、应用碳纳米管在材料科学、生物医学、电子、能源等领域中具有广泛的应用。
材料科学领域中，碳纳米管可以用于制备高强度、高导电性、高导热性、高比表面积的复合材料，应用于汽车、航空、航天、建筑等领域。
碳纳米管也可以用于制备高性能电极材料，提高锂离子电池的性能。
生物医学领域中，碳纳米管可以用于制备纳米药物传递系统和纳米生物传感器，进行肿瘤治疗和疾病诊断。
电子领域中，碳纳米管可以用于制备高性能逻辑电路和摄像头，替代各种传统电子元器件。
能源领域中，碳纳米管可以用于制备高效率的太阳能电池和储能系统，减少能源的消耗和浪费。
三、未来展望随着人类对碳纳米管的认识不断加深，碳纳米管的应用领域也会不断扩展。
未来，碳纳米管可能会应用于烯烃加氢、催化还原、氧化反应等领域，成为一种重要的催化剂。
同时，碳纳米管还可以应用于激光、纳米传感器和量子计算等领域，开辟崭新的研究方向和应用前景。
四、结语作为一种前沿领域的材料，碳纳米管的制备方法和应用领域仍然具有很大的潜力。
未来，人类将会通过不懈的努力，探索碳纳米管更多的结构和性质，为人类社会的发展做出更大的贡献。
多壁碳纳米管的制备及其生长机理研究的开题报告
多壁碳纳米管的制备及其生长机理研究的开题报告一、研究背景及意义碳纳米管是一种新兴的纳米材料，在电子、机械、化学等领域有着广泛的应用。
多壁碳纳米管是碳纳米管的一种形式，由若干个同心圆形壳组成，有着更加优异的力学性能和导电性能。
因此，多壁碳纳米管在材料科学、物理学、化学等领域有重要的研究和应用价值。
多壁碳纳米管的制备和生长机制是当前多个研究领域的热点之一，对其进行深入研究可以加深对其物理化学特性的认识，为其在材料科学和多个应用领域的实际应用提供基础支撑。
因此，本研究将致力于多壁碳纳米管的制备及其生长机理研究，为其在材料科学和其他领域的应用提供理论和实验基础。
二、研究内容和方法1.多壁碳纳米管的制备方法研究本研究将采用不同的化学气相沉积方法，包括化学气相沉积（CVD）、改进的热法气相沉积、化学气相淀积等方法，制备多壁碳纳米管。
利用不同的实验参数和制备方法，比较不同制备条件对多壁碳纳米管数量、质量和结构的影响，找到最优化的制备条件。
2.多壁碳纳米管的生长机理研究采用扫描电镜（SEM）、高分辨透射电镜（HRTEM）、X射线衍射（XRD）等技术对多壁碳纳米管的结构及组成进行表征和分析，并结合学术文献分析多壁碳纳米管的生长机理。
利用实验数据对多壁碳纳米管的生长过程进行模拟和分析，探讨各种物理化学因素对多壁碳纳米管生长的影响机制。
三、研究进度和预期成果研究初期，将对多壁碳纳米管的制备方法进行系统性实验和结论总结。
中期，对实验数据进行分析和模拟，从生长机理的角度进一步探讨多壁碳纳米管制备过程中的影响因素。
最终，将会得出多壁碳纳米管制备和生长机理的深入认识，为其在材料学和其他领域的应用研究提供实验和理论基础支撑。
预期成果如下：1.多壁碳纳米管的制备方法最优化选择；2.多壁碳纳米管的形态、结构及性质分析结果；3.多壁碳纳米管生长机理的研究成果。
碳纳米管材料的制备与应用
碳纳米管材料的制备与应用随着科技的不断发展，人类需要的材料也越来越多样化。
其中，碳纳米管材料已经逐渐成为各个领域的研究热点。
碳纳米管是由碳原子组成的管状结构，具有优异的电学、热学和机械性能，因此在材料科学、能源、电子学、生物医学等领域都有广泛的应用。
本文将着重讨论碳纳米管的制备与应用。
一、碳纳米管的制备方法碳纳米管的制备方法分为两类：化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。
其中，化学气相沉积是目前主流的制备方法。
1. CVD法CVD法是一种将碳源物质通过高温反应在衬底上形成碳纳米管的方法。
该方法在过去几十年间被广泛应用。
其原理是将在高温下分解的碳源物质(MgO、Fe、Co、Ni等金属薄膜)与甲烷(CH4)等碳源反应，生成碳纳米管。
产生的碳纳米管在金属薄膜上进行生长，成品碳纳米管可以被用于许多领域，如生物医学、电子学和机械工程。
2. PVD法PVD法是物理气相沉积法，是将高温高真空条件下的碳到金属薄膜表面，使其发生化学反应产生的碳纳米管。
PVD法和CVD法相比，能够控制制备的材料的形态，所以在某些行业中得到了广泛应用。
二、碳纳米管的应用碳纳米管可应用于生物医学、电子，机械工程等诸多领域中。
下面我们将简述几个典型应用案例。
1.生物医学碳纳米管是最有前途的纳米生物材料之一，具有良好的潜在应用前景。
例如，在体内使用碳纳米管作为药物载体能够提高药物在体内的分布，从而改善治疗效果。
同时还可以在生物医学领域中应用到组织修复等方面。
虽然在生物医学应用领域，碳纳米管还有各种缺陷需要克服，但其无疑是一个相当有前景的材料。
2. 电子碳纳米管在电子领域中的应用被认为是随着大小更小的范围的涌现而产生的。
碳纳米管的应用在电学方面主要有两个方面：体积很小时还能保持完美的电性；因其结构的高度均匀性而成本效益较高。
3. 机械工程由于碳纳米管的力学性质优异，具有较高的韧性和高强度，可以有效解决一些结构耐磨、化学稳定度和热稳定度较差、承载能力不足，同时仍具有大量不仅仅是机架化的性能的问题，也具有广泛的应用和前景。
碳纳米管的合成原理与电子传输性质
碳纳米管的合成原理与电子传输性质碳纳米管是由碳原子构成的纳米尺寸的管状结构，具有独特的物理和化学性质，因此在纳米科技领域具有广泛的应用潜力。
本文将介绍碳纳米管的合成原理以及其电子传输性质。
一、碳纳米管的合成原理碳纳米管的合成涉及到多种方法，其中最常用的方法是化学气相沉积（CVD）和电化学沉积（ECD）。
1. 化学气相沉积（CVD）法CVD法是一种通过热解碳源气体在催化剂表面生长碳纳米管的方法。
一般而言，该方法主要包括以下步骤：（1）预处理：将催化剂（通常使用镍、铁等金属）覆盖在载体上，并进行适当的预处理，以提高催化剂的活性。
（2）碳源气体供应：将碳源气体（如甲烷、乙烯等）引入反应室中，同时提供适当的惰性气体（如氢气）以稀释碳源气体。
（3）加热反应室：反应室中的催化剂被加热至适当的温度（通常为600-1000摄氏度），使碳源气体发生分解反应。
（4）碳纳米管生长：碳源气体分解产生的碳原子在催化剂表面沉积并结晶，形成碳纳米管。
2. 电化学沉积（ECD）法ECD法是一种利用电化学原理，在合适的电位下，在电极表面沉积碳纳米管的方法。
具体步骤如下：（1）制备电极：选择适当的导电材料作为电极，如玻碳电极、金属电极等，使其表面光滑且无缺陷。
（2）电解液制备：选择合适的电解液，其中必须含有碳源，如氨水、甲基化合物等。
（3）电沉积：将电极浸入电解液中，施加适当的电位，通过电解反应使碳源离子还原形成碳纳米管在电极表面沉积。
（4）碳纳米管表征：将合成的碳纳米管从电极上取下，经过必要的清洗和表征手段，如扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）进行形貌和结构分析。
二、碳纳米管的电子传输性质碳纳米管的电子传输性质主要由其结构和几何形状决定，下面将介绍两种常见的电子传输性质：1. 金属性碳纳米管金属性碳纳米管具有类似金属材料的导电特性，其导电行为可以用自由电子气模型描述。
这种类型的碳纳米管具有优良的电子传导性能和低内阻，因此在纳米电子器件中有广泛的应用。
碳纳米管的制备工艺与生长机理_朱宝华
・建筑材料及应用・文章编号:100926825(2007)3320174202碳纳米管的制备工艺与生长机理收稿日期:2007206219作者简介:朱宝华(19772),男,重庆交通大学硕士研究生,重庆 400074朱宝华摘 要:针对碳纳米管的独特结构和性能,介绍了电弧法、激光蒸发法和化学气相沉积法三种制备碳纳米管的方法,并建立不同的物理模型,详细阐述了以上三种方法的生长机理,为研究碳纳米管技术提供了参考借鉴。
关键词:碳纳米管,生长机理,制备工艺中图分类号:TU551文献标识码:A 碳纳米管(简称CN Ts )自1991年由Iijima 发现以来,立即受到全球科学家的关注,很快就变成研究最多的纳米材料。
碳纳米管分为单壁和多壁两种,由于多壁碳纳米管结构的复杂性,单壁碳纳米管作为理论计算的研究对象,根据形成碳纳米管的石墨面的卷曲方式,它可以分为非螺旋型和螺旋型两类,对于非螺旋型结构,管壁上原子六元环碳链的排列方向平行于管轴时为“椅式”结构,而当其排列方向垂直于管轴则为“齿式”结构。
实际上对于大多数碳纳米管而言,管壁上任何碳原子六元环链的排列方向大都既不平行也不垂直于碳纳米管的轴线方向,而是相对于碳纳米管的轴线方向具有一定的螺旋角,碳六元环以这样的方式排列形成的纳米管就是螺旋型的碳纳米管。
螺旋型的碳纳米管具有手性的区别,因此也被称为具有“手性”结构的碳纳米管。
碳纳米管的管状结构和较大长度直径比,使其成为理想的和有前途的准一维材料,而且理论预言这种纯碳分子所构成的直径最细、结构多变的纳米管具有很多奇异的性质,必将在纳米材料科学、分子电子器件及纳米生命科学中发挥重要作用。
1 单壁碳纳米管的制备1.1 电弧法电弧是一种气体放电现象,当电极两端的电流功率较大时,电极间的气体被击穿,产生几千度甚至上万度的高压,电能在瞬间转化为光能和热能。
将石墨棒作阳极插入反应室,与室内已装有的石墨棒(或短铜棒)阴极接触产生电弧后,在电弧区生成的碳纳米管落下,沉积在筒的底部,反应室内充满液氮。
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・建筑材料及应用・文章编号:100926825(2007)3320174202碳纳米管的制备工艺与生长机理收稿日期:2007206219作者简介:朱宝华(19772),男,重庆交通大学硕士研究生,重庆 400074朱宝华摘 要:针对碳纳米管的独特结构和性能,介绍了电弧法、激光蒸发法和化学气相沉积法三种制备碳纳米管的方法,并建立不同的物理模型,详细阐述了以上三种方法的生长机理,为研究碳纳米管技术提供了参考借鉴。
关键词:碳纳米管,生长机理,制备工艺中图分类号:TU551文献标识码:A 碳纳米管(简称CN Ts )自1991年由Iijima 发现以来,立即受到全球科学家的关注,很快就变成研究最多的纳米材料。
碳纳米管分为单壁和多壁两种,由于多壁碳纳米管结构的复杂性,单壁碳纳米管作为理论计算的研究对象,根据形成碳纳米管的石墨面的卷曲方式,它可以分为非螺旋型和螺旋型两类,对于非螺旋型结构,管壁上原子六元环碳链的排列方向平行于管轴时为“椅式”结构,而当其排列方向垂直于管轴则为“齿式”结构。
实际上对于大多数碳纳米管而言,管壁上任何碳原子六元环链的排列方向大都既不平行也不垂直于碳纳米管的轴线方向,而是相对于碳纳米管的轴线方向具有一定的螺旋角,碳六元环以这样的方式排列形成的纳米管就是螺旋型的碳纳米管。
螺旋型的碳纳米管具有手性的区别,因此也被称为具有“手性”结构的碳纳米管。
碳纳米管的管状结构和较大长度直径比,使其成为理想的和有前途的准一维材料,而且理论预言这种纯碳分子所构成的直径最细、结构多变的纳米管具有很多奇异的性质,必将在纳米材料科学、分子电子器件及纳米生命科学中发挥重要作用。
1 单壁碳纳米管的制备1.1 电弧法电弧是一种气体放电现象,当电极两端的电流功率较大时,电极间的气体被击穿,产生几千度甚至上万度的高压,电能在瞬间转化为光能和热能。
将石墨棒作阳极插入反应室,与室内已装有的石墨棒(或短铜棒)阴极接触产生电弧后,在电弧区生成的碳纳米管落下,沉积在筒的底部,反应室内充满液氮。
此法的突出优点在于液氮提供保护性气氛及缓冲气源,使得产物在惰性气氛下易保存输运,避免了复杂的真空密封装置。
1993年,S ・Iijima 等人就是首次用此方法成功合成单壁碳纳米管。
1.2 激光蒸发法激光蒸发法制备单壁碳纳米管是将一根金属催化剂和石墨混合的石墨靶放置于一长形石英管中间,该管则置于一加热炉内。
当炉温升到1473K 时,将惰性气体充入管内,并将一束激光聚焦于石墨靶上。
石墨靶在激光照射下将生成气态碳,这些气态碳和4 混凝土的早期养护实践证明,混凝土常见的裂缝,大多数是不同深度的表面裂缝,其主要原因是温度梯度造成寒冷地区的温度骤降也容易形成裂缝。
因此说混凝土的保温对防止表面早期裂缝尤其重要。
从温度应力观点出发,保温应达到下述要求:1)防止混凝土内外温度差及混凝土表面梯度,防止表面裂缝。
2)防止混凝土超冷,应该尽量设法使混凝土的施工期最低温度不低于混凝土使用期的稳定温度。
3)防止旧混凝土过冷,以减少新旧混凝土间的约束。
混凝土的早期养护,主要目的在于保持适宜的温湿条件,以达到两个方面的效果:a.使混凝土免受不利温、湿度变形的侵袭,防止有害的冷缩和干缩。
b.使水泥水化作用顺利进行,以期达到设计的强度和抗裂能力。
适宜的温湿度条件是相互关联的。
混凝土的保温措施常常也有保湿的效果。
从理论上分析,新浇混凝土中所含水分完全可以满足水泥水化热的要求而有余。
但由于蒸发等原因常引起水分损失,从而推迟或防碍水泥的水化,表面混凝土最容易而且直接受到这种不利影响。
因此混凝土浇筑后的最初几天是养护的关键时期,在施工过程中应切实重视起来。
5 结语以上对混凝土的施工温度与裂缝之间的关系进行了理论和实践上的初步探讨,虽然学术界对于混凝土裂缝的成因和计算方法有不同的理论,但对于具体的预防和改善措施意见还是比较统一,同时在实践中的应用效果也是比较好的。
在施工中要靠多观察、多比较,出现问题后多分析、多总结,结合多种预防处理措施,混凝土的裂缝是完全可以避免的。
参考文献:[1]李惠强.高层建筑施工技术[M ].北京:机械工业出版社,2005.5.[2]赵建光.浅谈施工质量管理的若干要素[J ].建筑学报,2004(2):31233.R easons of temperature and cracks during construction of pouring concreteL I Feng 2jun JIANG Chu ang 2feng CHENG XiaAbstract :It analyzes the reasons of cracks in pouring concrete.Through analysis of temperature stress ,it brings forward some measures of controlling temperature and protecting cracks ,and elaborates the early maintaining of concrete ,s o as to av oid the happening of concrete cracks.K ey w ords :pouring concrete ,temperature cracks ,early maintaining ,temperature stress・471・第33卷第33期2007年11月 山西建筑SHANXI ARCHITECTURE Vol.33No.33Nov. 2007 催化剂粒子被气流从高温区带向低温区,在催化剂的作用下生长成为单壁碳纳米管。
1.3 化学气相沉积法(又称催化裂解法)化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition ,简称CVD 法),就是使含碳气体(如乙烯、乙炔、CO 、甲烷、丙烯等有机气体)在一定温度下(一般为600℃～1000℃),在过渡金属Fe ,Co 或Ni 等催化剂作用下进行催化分解,或者直接热分解含Fe ,CO 或Ni 的碳化合物,如二茂铁以及羰基化合物等,来制备碳纳米管的方法。
而且,采用CVD 法可以制备碳纳米管阵列,这也是CVD 法的一大优势。
尽管CVD 法制备的碳纳米管会有一些缺陷,但是通过高温热处理就能改善碳纳米管的结构。
相对于前两种方法,化学气相沉积法则由于其设备简单,反应温度低,操作方便,反应过程易控以及能大量制备而成为了目前最常用的方法。
按照催化剂加入或存在方式又可分为3种方法:基体法、喷淋法、悬浮法。
所谓基体法是用硅或石墨作基体,将催化剂附着于基体上,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一侧生长出碳纳米管。
因碳纳米管只在催化剂基体上生长,故产量不高,难于工业化生产。
所谓喷淋法就是将催化剂溶解于液体碳源中,在反应炉温度达到生长温度时,由于催化剂与碳氢化合物的比例难以优化,喷撒过程中催化剂颗粒分布不均,喷撒的催化剂颗粒很难以纳米量级的形式存在,因此碳纳米管所占比例少,而且常有大量碳黑生成。
悬浮法采用直接加热催化剂前驱体,使之以气体形式引入反应室,因其单位时间内产量较大,可连续生产。
2 生长机理2.1 弧光放电法制备碳纳米管的生长机理1)封闭生长机理。
Endo 等认为,碳纳米管在生长过程中始终保持两端封闭,其生长是通过来自等离子体中的碳原子簇插入反应活性较高的两封闭端,即C 2可以插入六元环而产生两个相邻的五元环,然后五元环在石墨网中扩散,发生结构重排而形成更加稳定的结构。
封闭生长机理可以成功地解释单壁管的生长过程,但不能解释多壁管的生长和结构。
因为既然碳原子簇必须从外层扩散到内层,其生长速率不可能相同,内层和外层的长度也就不可能相同。
2)开口生长机理。
Iijima 依据实验获得开口的碳纳米管,提出了开口生长机理,他认为碳管在生长过程中始终保持开口,开口处有较高反应活性的悬空键(不饱和键),吸附等离子体中的碳原子从而生长,且内外层管以同样速率生长。
该生长机理能解释通过透射电镜观察到的所有碳纳米管的结构特征,可以成功地解释碳纳米管的螺旋性。
3)电场诱导生长模型。
Smalley 认为,在电弧放电条件下,两电极间充满浓度很高的等离子体,对两电极空间起屏蔽效应。
阳极由于受到电子轰击和等离子体辐射,其温度很高(比阴极要高),蒸发石墨电极而形成自由碳原子,在温度低的阴极表面上沉积。
阴极表面较高的电压降产生的电场对碳管的开口生长起稳定作用并诱导碳纳米管生长。
而Zhang 等认为,电弧条件下的CN Ts 生长是阴极上的场发射结构与等离子体相互作用的结果。
Satio 等认为电场的静电引力是碳纳米管生长的原因,在电场力作用下,液态的小微粒呈椭圆形,并沿着电场作用方向生长。
2.2 激光烧灼法制备碳纳米管的生长机理Hatta 等根据激光蒸发石墨的碳蒸汽中存在大量的环状碳原子簇,提出了一个关于激光烧灼法制备碳纳米管的机理模型,在碳纳米管的生长过程中,首先碳原子簇与环状碳原子簇聚合,定向生长成两端带有悬空键且键角约为1200的较短单层管。
作为原料的环状碳原子簇的构型决定了形成碳纳米管的结构,如反向反式的碳原子簇环生长形成锯齿结构的碳纳米管;椅式型碳纳米管是由顺位反式的碳环生长成的。
为了形成圆柱面结构的单环碳原子数目必须是偶数,碳原子数目为奇数的单环往往形成锥形面结构或多面体微粒或直径较大的管,随后通过碳原子簇的聚集迅速地形成多壁碳纳米管,此时碳纳米管的表面具有弱的共振效应;在碳纳米管的生长过程中,碳纳米管的六元环网络发生畸变形成五元环,从而在碳纳米管的两端形成碳帽。
2.3 化学气相沉积法制备碳纳米管的生长机理关于CVD 方法制备碳纳米管的生长机理,目前普遍的观点认为碳纳米管的生长分为两个步骤: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碳纳米管。
目前,生长机理研究基本上是根据实验所获得的碳纳米管的结构特征推测其生长过程,因此这方面的研究尚处于初步阶段。
为了深入研究碳纳米管的生长过程,应采用先进的分子动力学研究方法和研究手段,如:分子束技术、飞秒技术以便在分子水平上研究碳纳米管的生长过程。
3 结语作为一种新兴的纳米材料,碳纳米管表现出了极高的科研价值和工业价值。
然而在目前,在碳纳米管的合成方面,人们还并不了解操纵碳纳米管生长的根本机理,也没有掌握获得结构参数(手性和直径)确定一致的碳纳米管的有效技术。
因此,围绕碳纳米管技术还有许多尚未解决的命题。
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