《微纳米技术》教学课件PPT
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碳纳米管(CNTS)简介张茂阳金撼尘 尹聪文CONTEXT一、研究背景与现状一、研究背景与现状三、碳纳米管典型制备方法三、碳纳米管典型制备方法二、碳纳米管基本结构二、碳纳米管基本结构四、碳纳米管应用前景四、碳纳米管应用前景、一、研究背景与现状1980年,亚利桑那州立大学饭岛澄男(S.IIJIMA)在分析碳膜的透射电子显微镜图时发现同心圆结构,就像切开的洋葱,这是C60的第一个电子显微镜图。1985年英国苏塞克斯大学的哈罗德沃特尔克罗托(KROTO)教授和莱斯大学的理查德斯莫利(SMALLEY)教授发现C60及其化合物(BUCKMINSTERFULLERENE富勒烯)。他们于1996年获诺贝尔物理学奖。1991年,加盟日本电气(NEC)公司的饭岛澄男发现碳纳米管(CARBON NANOTUBE)并在NATURE公布了他的发现成果,它是碳的又一同素异型体,饭岛澄男本人多次获诺贝尔奖提名。1991年,加州大学洛杉矶分校的霍金斯(JOEL HAWKINS)得到了富勒烯衍生物的第一个晶体结构,标志着富勒烯结构结构被准确测定。二、基本结构碳纳米管是一种径向径向尺寸为纳米量级纳米量级,轴向轴向尺寸为微微米量级米量级、管子两端基本上都封口的一维量子材料一维量子材料。它是由碳六元环碳六元环构成的类石墨平面卷曲类石墨平面卷曲而成的纳米级纳米级中空管中空管,其中每个碳原子通过SP2 杂化与周围3 个碳原子发生完全键合。它主要由呈六边形六边形排列的碳原子构成数层到数十层数层到数十层的同轴圆管同轴圆管。层与层之间保持约0.34NM的距离,直径一般为220NM。碳纳米管不总是笔直的,而是局部区域出现凸凹现象凸凹现象,这是由于在六边形编织过程中出现了五边形五边形和七边形七边形。当六边形逐渐延伸出现五边形时,由于张力的关系而导致纳米管凸出。如果五边形正好出现在碳纳米管的顶端,即形成碳纳米管的封口。当出现七边形时,纳米管则凹进,出现拐角。结构举例按手性分类:锯齿型(ZIGZAG)和扶手椅型(ARMCHAIR)按石墨烯片的层数分类:单壁碳纳米管(SINGLE-WALLED NANOTUBES,SWNTS)直径和长度分别为 0.753NM和150M。又称富勒管(FULLERENES TUBES)多壁碳纳米管(MULTI-WALLED NANOTUBES,MWNTS)形状象个同轴电缆,其层数从250不等,层间距为0.340.01NM,与石墨层间距 (0.34NM)相当。多壁管的典型直径和长度分别为230NM和0.150M。三、典型制备方法石墨电弧法激光蒸发法催化热解法(CVD)石墨电弧法基本原理:电弧室充惰性气体保护,两石墨两石墨棒电极棒电极靠近,拉起电弧,再拉开,以保持电弧稳定。放电过程中阳极温度相对阴极较高阳极温度相对阴极较高,所以阳极石墨棒不断被消耗,同时在石墨阴阴极极上沉积出含有碳纳米管碳纳米管的产物。理想的工艺条件:氦气为载气,气压 6050PA,电流60A100A,电压19V25 V,电极间距1 MM4MM,产率50。饭岛澄男等生产出了半径约1 NM的单层碳管。激光蒸发法基本原理:利用激光束激光束照射至含有金属的石墨靶含有金属的石墨靶上,将其蒸发,同时结合一定的反应气体,在基底和反应腔壁上沉积出碳纳米管。将一根金属催化剂/石墨混合的石墨靶石墨靶放置于一长形石英管中间,该管则置于一加热炉内。当炉温升至1473K 时,将惰性气体惰性气体充入管内,并将一束激光聚焦于石墨靶上。石墨靶在激光的照射下将生成气态碳气态碳,这些气态碳和催化剂粒子被气流气流从高温区带向低温区,在催化剂的作用下生长成单壁碳纳米管单壁碳纳米管。碳纳米管的生长主要受到激光强度、生长腔的压强,以及气体流速等因素的影响.此法得到的大多是单壁碳纳米管单壁碳纳米管,质量高,但产量较低,而且所用设备比较昂贵,合成单壁纳米碳管的量极其有限且容易缠结,因而难以推广。催化热解法基本原理:含有含有碳的气体流碳的气体流经催化剂纳米颗粒表面时分解产生碳原子,在催化剂表面催化剂表面生成碳纳米碳纳米管管。以催化剂存在方式的不同被分为基体法基体法和浮游法浮游法等。基体法利用石墨或陶瓷等作载体,将催化剂附着于其催化剂附着于其上上,高温下通入含碳气体使之分解并在催化剂颗粒上长出碳纳米管;浮游法就是直接加热直接加热催化剂催化剂使使其成其成气态气态,并与气态烃一起被引入反应室,在不同温区各自分解,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,分解的碳原子在催化剂颗粒上析出形成碳纳米管。载体的类型、催化剂的种类和制备方法、反应气体种类,以及流量和反应温度等对碳纳米管生长有较大影响。此方法的反应过程易于控制反应温度相对较低,产品纯度较高纯度较高,成本低成本低,产量高产量高,适用性强,现被广广泛泛用于碳纳米管的制备。四、应用前景超级电容器储氢材料质子交换膜(PEM)燃料电池碳纳米管的复合材料超级电容器双层电容器既可用作电容器电容器也可以作为一种能量存储装置能量存储装置。超级电容器可大电流充放电大电流充放电,几乎没有充放电过电压,循环寿命可达上万次,工作温度范围很宽温度范围很宽。碳纳米管比表面积大、结晶度高、导电性好,微孔大小可通过合成工艺加以控制,因而是一种理想的电双层电容器电极材料。由于碳纳米管具有开放的多孔结构多孔结构,并能在与电解质电解质的交界面形成双电层双电层,从而聚集大量电荷,功率密度可达8000W/KG。碳纳米管超级电容器是已知的最大容量最大容量的电容器电容器,存在着巨大的商业价值。储氢材料纳米粒子的吸附机理机理:纳米碳管的吸附作用主要是由于纳米粒子碳管纳米粒子碳管的表面羟基表面羟基作用。纳米碳管表面存在的羟基能够和某些阳离子键合阳离子键合,从而达到表观上对金属离子或有机物金属离子或有机物产生吸附作用;另外,纳米碳管粒子具有大的比表比表面积,也是纳米碳管吸附作用的重要原因。单壁纳米管(SWNTS)适当处理后可在室温室温下储存氢气,其储存氢的重量可达4.2,并且78.3 的储存氢在常温常压常温常压下可释放出来,剩余的氢加热后可释放出来,这种SWNTS 能够重复利用重复利用,具有很高的商业价值。表面态表面态碳纳米管是一种径向径向尺寸为纳米量级纳米量级,轴向轴向尺寸为微米量级微米量级、管子两端基本上都封口的一维量子材料一维量子材料。谢谢!THANKS
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