碳纳米管的制备与应用ppt课件
煤基碳纳米管的制备
煤基碳纳米管的制备
煤基碳纳米管的制备，这听起来是不是有点儿高大上？其实呢，咱们可以把它想象成一场“变魔术”一样的过程。你看，碳纳米管可是科学家们眼中的“宝贝”——它轻、它硬、它还很耐用，简直就是科技界的小钢炮。不管是做电子产品、能源储存，还是做超强的材料，碳纳米管都有着超强的表现。说到煤基碳纳米管，它的厉害之处就在于，用煤这种我们日常生活中随处可见的资源，居然也能造出这些神奇的小东西。煤是个老实的家伙，但经过特殊的处理，它能变成碳纳米管，堪比“凤凰涅槃”。是不是觉得挺神奇的？
要制作煤基碳纳米管，首先要说的就是“原料”这一块。煤，咱们熟悉吧，黑乎乎的，摸起来有点儿粗糙。但这些煤中的碳元素，如果处理得当，它们就能变成细小的、几乎肉眼看不见的管子。这些管子在大小和形态上和咱们生活中的某些东西比，有点像竹子——是空心的，结构又很强。说到这里，大家可能要问，煤能变成碳纳米管，这过程中能有什么神奇的变化呢？整个过程就像是让煤经历了一次“华丽的蜕变”，通过化学反应和高温的帮助，煤中的碳逐渐组织成了细小的管状结构，真的是“脱胎换骨”。
这些碳纳米管到底是怎么出来的呢？其实有几种方式可以做到。其中，最常用的一种方法就是通过“化学气相沉积法”，就是将煤加热到非常高的温度，让它释放出一些可燃气体，然后这些气体会在高温的环境下凝聚成碳纳米管。听起来很复杂对吧？但其实这个过程就像是做菜一样，火候要掌握得当，时间一长，一切就顺利了。你可以想象，当煤中的碳元素遇到高温，就像遇到火一样，它们开始燃烧、融化，最终重新排列组合，形成了具有独特结构的碳纳米管。
还有一种方法是“水热法”，这个方法就像是把煤放进了一个大压力锅里，加上水、加热，在高压环境下，让煤变成碳纳米管。这种方法相比化学气相沉积法，成本较低，而且操作简单。不过，它的缺点是，做出来的碳纳米管往往不如化学气相沉积法做出来的那样均匀、完美。所以，科学家们就得在这两者之间找到平衡，考虑到成本、效果以及生产条件，选择最适合的方法。
化学气相沉积法制备碳纳米管
化学气相沉积法制备碳纳米管
材料化学专业
制备原料
碳源多为乙烯或者乙炔；催化剂颗粒多为亲碳的、过渡金属的纳米粒子如铁、镍、镁、钼等。
制备工艺
在高温条件下碳源气体在过渡金属纳米颗粒的催化作用下分解，碳原子在催化剂例粒子中熔解、饱和。在催化剂粒子中饱和并析出碳形成了小管状的碳固体即碳纳米管。
碳纳米管的性能
力学性能：
碳纳米管中碳原子采取SP2杂化S轨道成分比较大，使其具有高模量、高强度，具有优异的力学性能。理想的碳纳米管的抗拉强度可高达100GPa。一般碳纳米管的抗拉强度可达50-200GPa,是钢的100倍，密度却只有钢的1/6，弹性模量高达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。不同的SP2和SP3杂化几率使碳纳米管其表现出优良的弹性，柔韧性，易拉伸，十分柔软，同时它还具有与金刚石相当的硬度和极大的长径比，可以作为理想的高强度纤维材料，被称为未来的“超级纤维”。
导电性能：
碳原子最外层有4个电子，碳纳米管具有类石墨结构，石墨的每个碳原子最外层的三个电子与三个最邻近的碳原子以SP2杂化，呈现层状结构。碳原子的另一个未成对电子位于垂直于层片的π轨道上，碳纳米管具有石墨的良好导电性能。碳纳米管由石墨片卷曲而来，其导电性能由石墨片的卷曲方式决定，即导电性能取决于它的管径和手性。不同手性的碳纳米管可分别呈现金属性、半导体性。给定的碳纳米管的手性矢量Ch=na1+ma2，若n．m=3k(k为整数)，那么该方向碳纳米管呈现金属性，可视为良好的导体。其中，若n=m，碳纳米管电导率可高达铜的l万倍，导电性极好。当n．m不等于3k(k为整数)时，该方向碳纳米管视为半导体。另外，在碳纳米管的管壁上往往有成对的五元环和七元环出现，这些缺陷会导致新的导电行为，为碳纳米管的导电性做贡献。
传热性能：
碳纳米管的类石墨结构使得其具有良好的传热性能，另外，准一维结构使得沿着碳纳米管轴向方向的热交换极易进行，由此，可以通过制备定向的碳纳米管阵列从而获得某个方向热传导性能极好的产品。要想获得某些特定方向上热传导性能优异的产品，需要在制备碳纳米管时通过适当地改变实验条件或调整各项参数等来控制产物的取向。
碳纳米管
碳纳米管是由单层或多层石墨片围绕同一中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管结构，两端通常被由五元环和七元环参与形成的半球形大富勒烯分子封住，端口的结构遵循鼎足五边形定则和欧拉定理。端帽大部分都被认为是在六方网格状的碳纳米管中掺杂着五元环或者七元环的拓扑缺陷。每层纳米管的管壁是一个由碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形网络平面所围成的圆柱面(图1)。CNT根据管状物的石墨片层数可以分为单壁碳纳米管(SWNTs) 和多壁碳纳米管(MWNTs)。
图1 SWNT的结构示意图
(1)单壁碳纳米管的结构
单壁碳纳米管在概念上可被认为是卷起来的单层石墨烯，直径大小分布范围小、缺陷少，具有更高的均匀一致性，是理想的分子纤维。SWNT的管径一般为0. 7～3. 0 nm，长度为 1～50 μm，是一种理想的纳米通道，可用作储氢材料、半导体及场发射材料等。
SWNT可看做是由单层石墨烯片卷曲成的，在石墨烯片层卷成圆柱体的过程中，边界上的悬空键随即结合，从而导致碳纳米管轴方向的随机性。在一般的碳纳米管结构中，碳原子的六边形格子是绕成螺旋型的，碳纳米管具有一定的螺旋度，如果将SWNT的石墨烯面沿纵向展开，就呈现类似于石墨烯面的二维几何形态。
碳纳米管的结构参数都能够由( n，m) 指数来确定。不同的( n，m) 对应不同的手性矢量、手性角、卷曲方式、直径和周长等结构参数。 根据卷起的方向矢量(n，m)不同，SWNT大致可呈现金属性(n－m = 3k，k为整数，无能隙)或半导体性(n－m ≠ 3k，k为整数，有能隙)。根据折起的外部形态的不同，SWNT可分为扶手椅式、锯齿式和手性式。通常，当m=n
时，称为扶手椅型管; 当 m=0 时，称为锯齿型管; 其他则一般称为手性管。
图2 几种不同类型的单壁碳纳米管
(2)多壁碳纳米管的结构
MWNT是由几层到几十层石墨烯片同轴卷曲而成的无缝管状物。其层数从2到50不等，层间距为± nm，与层间距 nm的石墨相当，且层与层之间排列无序。通常多壁管直径为 2～30nm，长度为～50μm。MWNT的形成过程中，管端、层的表面、层与层之间很容易形成五元环或七元环等缺陷中心，当出现五元环时碳纳米管就会凸出，出现七元环则会凹进。如果五元环或七元环出现在碳纳米管的顶端，则成为碳纳米管的封端。
碳纳米管的制备
- 1 - 碳纳米管的制备
碳纳米管是一种具有优异物理和化学性能的纳米材料，广泛应用于电子学、材料学、生物医学等领域。碳纳米管的制备方法主要包括化学气相沉积、电化学沉积、等离子体化学气相沉积、化学溶液沉积、热解碳化等多种方法。其中，化学气相沉积是最常用的制备方法之一，通过在高温下将金属催化剂引入碳源气体中，使其在催化剂表面上形成碳原子，从而长成碳纳米管。电化学沉积是一种简单有效的制备方法，通过在电极表面上沉积碳纳米管的方法将电解质中的碳原子还原成碳纳米管。等离子体化学气相沉积是一种高效制备方法，通过在等离子体中激发反应物，使其在金属催化剂表面上长成碳纳米管。化学溶液沉积是一种基于水溶液或有机溶液的制备方法，通过在溶液中加入碳源，使其在溶液中形成碳纳米管。热解碳化是一种将有机分子在高温下分解成碳纳米管的方法，适用于制备高质量的碳纳米管。以上这些方法都有其特点和应用范围，可以根据需要选择合适的方法进行制备。
碳纳米管导电浆料及其制备方法和用途
碳纳米管导电浆料及其制备方法和用途
碳纳米管（Carbon Nanotubes，简称CNTs）是由碳原子通过特定方式排列构成的纳米管状结构，具有优异的导电性、导热性、力学强度和化学稳定性等特点。它们在许多领域具有广泛的应用潜力，例如电子器件、能源储存和转换、纳米材料增强等。碳纳米管导电浆料是一种将碳纳米管分散在溶剂中形成稳定悬浮液的制备材料，它可以很方便地用来涂覆在各种基底材料上，制备电极和导电薄膜等器件。
制备碳纳米管导电浆料有多种方法，常见的方法包括机械混合、超声处理、化学修饰以及电化学等。其中，机械混合是一种简单的方法，通过将碳纳米管和溶剂一起放入瓶中进行摇晃或搅拌，使碳纳米管在溶剂中均匀分散。超声处理则是通过超声波的机械作用来实现碳纳米管的分散，这种方法可以更加高效地分散碳纳米管，得到更稳定的浆料。化学修饰是将碳纳米管表面进行改性，增加其与溶剂之间的相容性，以提高浆料的稳定性。电化学方法则是通过电解或电析的方式来制备碳纳米管导电浆料，这种方法可以控制碳纳米管的含量和分散度。
碳纳米管导电浆料在电子器件领域有着广泛的应用。例如，可以将碳纳米管导电浆料涂覆在玻璃基板上，制备柔性导电薄膜，用于可弯曲的触摸屏、柔性显示器等设备中。此外，还可以将碳纳米管导电浆料涂覆在导电胶带上，制备高导电性的电子细线，用于微电子封装和连接。碳纳米管导电浆料还可以应用于太阳能电池、超级电容器等能源器件中，用于提高器件的光电转换效率和储能性能。另外，碳纳米管导电浆料还可以作为导电涂料、导电油墨或导电粘合剂等应用于航空航天、防护涂料等领域，发挥导电性能和耐久性的优势。 总之，碳纳米管导电浆料具有优异的导电性和分散性，其制备方法简单、灵活，具有广泛的应用潜力。未来随着相关技术的进一步发展和改进，碳纳米管导电浆料在各个领域将得到更广泛的应用。
碳纳米管CNTS
20102118
1 碳纳米管的独特工能及应用
1985年，Kroto和Smalley[1]发现了一种直径仅为0.7nm的球状分子，被称为C60，亦称富勒烯(fullerene)。这是继石墨和金刚石之后，碳的另一种同素异形体。随后，日本NEC公司的Sumio．Iijima[2]在合成C60中，首次利用电子显微镜发现了CNTs(Carbon nanotubes)，又称巴基管(Bucktube)。CNTs是一种类似石墨结构的六边形网格卷绕而成的、两端为半球形端帽、具有典型层状中空结构的材料。根据石墨片层数的不同，CNTs可分为多壁碳纳米管(MWNTs)和单壁碳纳米(SWNTs)。研究表明，CNTs的密度只有钢的1／6，强度却是钢的100倍，模量可达1．8 TPa。CNTs是典型的一维纳米结构，其超强的力学性能、超大的长径比(一般大于1000)、极好的化学和热稳定性、良好的光电性能，使其具有广泛应用于生物传感器、储氢容器、超容量电容器、机电激励器、结构增强材料等方面的应用前景[3-4]。CNTs长径比高、比表面大、比强度高、电导率高、界面效应强，因而具有优异的力学、电学、热学、光学性能．成为世界范围内的研究热点之一。近几年来．随着CNTs合成技术的日益成熟．低成本批量生产CNTs已成为可能，并在场发射、分子电子器件、复合材料、储氢、吸附、催化诸多领域已经展现出其广阔的应用前景。
一、 碳纳米管的结构
CNTs是一种主要由碳六边形(弯曲处为碳五边形或碳七边形)组成的单层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米管状壳层结构，相邻层间距与石墨的层间距相当，约为0.34nm。碳纳米管的直径为零点几纳米至几十纳米，长度一般为几十纳米至微米级，也有超长CNTs，长度达2mm。
化学气相沉积法制备单壁碳纳米管
化学气相沉积法制备单壁碳纳米管
化学气相沉积法（CVD）是制备单壁碳纳米管的一种常用方法。该方法通过将碳源气体（例如甲烷、乙烯等）和载体气体（例如氢气）引入反应炉中，在一定的温度和压力条件下催化生成碳纳米管。
具体的制备步骤如下：
1. 准备反应器：首先需要准备一台带有石英管道的炉子，并对石英管道进行表面处理以去除任何杂质。
2. 处理衬底：将所选衬底（常用的有石英、硅片等）放入炉子中，在高温下煅烧衬底，以去除表面的有机和无机杂质。
3. 导入前驱体气体：将所选的碳源气体和载体气体通过气体管道导入炉子中，在适当的比例下控制气体的流量。
4. 上升温：炉子开始升温，将温度逐渐升高至制备碳纳米管的反应温度（通常在600~1000℃之间，具体温度取决于碳源气体和载体气体的选择）。
5. 反应形成碳纳米管：在反应温度下，碳源气体会在催化剂的作用下分解并在衬底上生长出碳纳米管。常用的催化剂有金属纳米颗粒（如铁、镍、钯等）。
6. 此后，将系统冷却至室温时，停止碳源气体和载体气体的流动。将衬底取出并洗净，即可得到单壁碳纳米管样品。
需要注意的是，CVD方法制备的单壁碳纳米管通常会存在一定的多壁碳纳米管和其他杂质。因此，在实际应用中，通常还需要后续的分离和纯化步骤，以获取单壁碳纳米管纯净样品。