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十八胺改性碳纳米管导电纸的性能研究

十八胺改性碳纳米管导电纸的性能研究
十八胺改性碳纳米管导电纸的性能研究

碳纳米管导电涂料修订稿

碳纳米管导电涂料 WEIHUA system office room 【WEIHUA 16H-WEIHUA WEIHUA8Q8-

碳纳米管导电涂料 简介: 碳纳米管(CNT)具有优异的力学、电学、光学等性能,骨架结构中含有sp3和sp2杂化的碳原子,且在其边壁和端帽部分存在大量结构缺陷,可与电子给体和电子受体发生掺杂。故碳纳米管以其独特的结构和电子特性的纳米尺寸的碳质管状物引起了全球物理、化学和材料等科学界的重视。碳纳米管作为一种新型的纳米材料,其奇异的性质倍受青睐。 碳纳米管具有良好的导电性,同时又拥有较大的长径比,因而很适合做导电填料,相对于其它金属颗粒和石墨颗粒其很少的用量就能形成导电网链,且其密度比金属颗粒小得多,不易因重力的作用而聚沉。利用碳纳米管的这些特性将其作为导电介质加入到涂料中,对涂料的导电性会产生强烈影响。目前,碳纳米管在导电涂料中的应用研究主要是通过改变碳纳米管的的结构及含量,改进碳纳米管在导电涂料中的分散性,以及对碳纳米管进行表面处理来均衡东电涂料的导电性和其他各项性能。 碳纳米管的结构: 碳纳米管是由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管(原子排列结构见图1)。按照所含石墨片层数的不同,碳纳米管可以分成单壁碳纳米管(Single-wallednanotubes,SWNTs)和多壁碳纳米管(Multi-wallednanotubes,MWNTs)。其中,SWNTs由一层石墨片组成;MWNTs由多层石墨片组成,形状与同轴电缆相似(剖面结构见图2)。

碳纳米管的性能: 碳纳米管因其小尺寸效应和独特的分子结构,具有优异的物理化学性能。一维分子材料和六边形完美连接结构使碳纳米管具有质量轻、强度高的特点;较大长径比及sp2、sp3杂化几率不同使碳纳米管具有优良的弹性;直径、螺旋角以及层间作用力等存在的差异使碳纳米管兼具导体和半导体的特性;独特的螺旋状分子结构使碳纳米管构筑的吸波材料具有比一般吸收材料高得多的吸收率。此外,碳纳米管还具有独特的光学性能,良好的热传导性,极高的耐酸、碱性和热稳定性。 碳纳米管的导电机理: 以加溴多壁碳纳米管微观体系模型来研究溴对多壁碳纳米管的作用及导电机理。溴在多壁碳纳米管上的作用主要体现在对多壁碳纳米管π电子云的影响。多壁碳纳米管上的π电子与溴的p孤对电子形成p-π共轭,由于溴的诱导效应,使多壁碳纳米管内的电子云偏向溴,类似于分子的偶极化,多壁碳纳米管出现电子离位而产生穴载流子,同时吸引出的电子仍具有一定的自由移动能力,整个体系的载流子数目(自由电子与窄穴)增多,载流子的浓度增大,提高了多壁碳纳米管的导电性。图3Ⅰ为加溴前的多壁碳纳米管以及单质溴分子体系模型,管内的黑点代表自由电子,分布于管壁之间;图3Ⅱ代表溴的吸附过程模型;图3Ⅲ为加溴多壁碳纳米管的共轭体系模型。

碳纳米管的性质性能及其应用前景

碳纳米管的性质性能其应用前景 The Properties and Applications of Carbon Nano-Tubes 张雅坤北京师范大学化学学院201411151935 摘要:从1991年被正式认识并命名至今,碳纳米管凭借其特殊的结构及异常的力学、电学和化学性能获得了材料、物理、电子及化学界的广泛关注。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入,其广阔的应用前景也不断地展现出来。本文主要对碳纳米管目前的性质性能及其应用前景进行了系统详细的介绍【8】。 关键词:碳纳米管、无机化学、性质性能、应用前景 一、综述 1.发展历史与研究进程 在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛(Lijima)在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时,意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Carbon nanotube”,即碳纳米管,又名巴基管。 1993年,S. Lijima等和D. S. Bethune等同时报道了采用电弧法,在石墨电极中添加一定的催化剂,可以得到仅仅具有一层管壁的碳纳米管,即单壁碳纳米管产物。

1997年,A. C. Dillon等报道了单壁碳纳米管的中空管可储存和稳定氢分子,引起广泛的关注。相关的实验研究和理论计算也相继展开。据推测,单壁碳纳米管的储氢量可达10%(质量比)。此外,碳纳米管还可以用来储存甲烷等其他气体。但该猜测在后来被证实是错误的,碳纳米管无法用于储氢的主要问题有两个:一是假如作为容器进行储氢,则无法对其进行可控的封闭和开启;二是假如用于氢气吸附,则其吸附率不超过1%(质量分数)。 能否控制单壁碳纳米管的生长是近二十余年来一直困扰着碳纳米管研究领域科学家们的难题,能否找到控制方法也成为碳纳米管应用的瓶颈。2014年,这道世界性难题被北京大学李彦教授研究团队攻克,该团队在全球首次提出单壁碳纳米管生长规律的控制方法,研究成果已于2014年6月26日发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上,这是碳纳米管研究方面的又一大突破。 2.碳纳米管的制备方法 常用的碳纳米管制备方法主要有:电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法(碳氢气体热解法)、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等。 2.1电弧放电法 电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电法生产的碳纤维中首次发现碳纳米管的。电弧放电法的具体过程是:将石墨电极臵于充满氦气或氩气的反应容器中,在两极之间激发出电弧,此时温度可以达到4000度左右。在这种条件下,石墨会蒸发,生成的产物有富勒烯(C60)、无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管。通过控制催化剂和容器中的氢气含量,可以

关于碳纳米管的研究进展综述

关于碳纳米管的研究进展 1、前言 1985年9月,Curl、Smally和Kroto发现了一个由个60个碳原子组成的完美对称的足球状分子,称作为富勒烯。这个新分子是碳家族除石墨和金刚石外的新成员,它的发现刷新了人们对这一最熟悉元素的认识,并宣告一种新的化学和全新 的“大碳结构”概念诞生了。之后,人们相继发现并分离出C 70、C 76 、C 78 、C 84 等。 1991年日本的Iijima教授用真空电弧蒸发石墨电极时,首次在高分辨透射电子显微镜下发现了具有纳米尺寸的碳的多层管状物—碳纳米管。年,日本公司的科学家和匆通过改进电弧放电方法,成功的制备了克量级的碳纳米管。1993年,通过在电弧放电中加入过渡金属催化剂,NEC和IBM研究小组同时成功地合成了单壁碳纳米管;同年,Yacaman等以乙炔为碳源,用铁作催化剂首次针对性的由化学气相沉积法成功地合成了多壁碳纳米管。1996年,我国科学家实现了碳纳米管的大面积定向生长。1998年,科研人员利用碳纳米管作电子管阴极同年,科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管;中国科学院金属研究所成会明研究小组采用催化热解碳氢化合物的方法得到了较高产率的单壁碳纳米管和由多根单壁碳纳米管形成的阵列以及由该阵列形成的数厘米长的条带。1999年,韩国的一个研究小组制成了碳纳米管阴极彩色显示器样管。2000年,日本科学家制成了高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。2001年,Schlitter等用热解有纳米图形的前驱体,通过自组装合成了单壁碳纳米管单晶,表明已经可以在微米级制得整体材料的单壁碳纳米管,并为宏量制备指出了方向。 2、碳纳米管的制备方法 获得大批量、管径均匀和高纯度的碳纳米管,是研究其性能及应用的基础。而大批量、低成本的合成工艺是碳纳米管实现工业化应用的保证。因此对碳纳米管制备工艺的研究具有重要的意义。目前,常用的制备碳纳米管的方法包括石墨电弧法、化学气相沉积法和激光蒸发法。一般来说,石墨电弧法和激光蒸发法制备的碳纳米管纯度和晶化程度都较高,但产量较低。化学气相沉积法是实现工业化大批量生产碳纳米管的有效方法,但由于生长温度较低,碳纳米管中通常含有

碳纳米管性质及应用

碳纳米管性质及应用 摘要:碳纳米管的发现是现代科学界的重大发现之一。由于碳纳米管具有特殊的 导电性能、力学性质及物理化学性质等,故其在许多领域具有其广阔的应用前景,自问世以来即引起广泛关注。目前,国内外有许多科学家对碳纳米管进行研究,科研成果颇丰。本文简单综述碳纳米管的基本性质及应用。 关键词:碳纳米管;结构;制备;性质;应用 1 碳纳米管的发现 1991年,日本NEC科学家Lijima在制取C60的阴极结疤中首次采用高分辨隧道电子显微镜(HRTEM)发现一种外径为515nm、内径213nm、仅由两层同轴类石墨圆柱面叠合而成的碳结构。进一步的分析表明,这种管完全由碳原子构成,并看成是由单层石墨六角网面以其上某一方向为轴,卷曲360°而形成的无缝中空管。相邻管子之间的距离约为0.34nm,与石墨中碳原子层与层之间的距离0.335nm相近,所以这种结构一般被称为碳纳米管,这是继C60之后发现的碳的又一同素异形体,是碳团簇领域的又一重大科研成果[1]。 2 碳纳米管的结构 碳纳米管(CNT)又名巴基管,是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口)的一维量子材料。它是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷绕而成的无缝、中空的“微管”,每层由一个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形组成的圆柱面。根据形成条件的不同,碳纳米管存在多壁碳纳米管(MWNTs)和单壁碳纳米管(SWNTs) 两种形式。MWNTs一般由几层到几十层石墨片同轴卷绕构成,层间间距为0.34nm左右,其典型的直径和长度分别为 2-30nm0.1-50μm.SWNTs由单层石墨片同轴卷绕构成,其侧面由碳原子六边形排列组成,两端由碳原子的五边形封顶。管径一般从10-20nm,长度一般可达数十微米,甚至长达20cm[2]。 3碳纳米管的制备 碳纳米管的合成技术主要有:电弧法、激光烧蚀(蒸发)法、催化裂解或催化化学气相沉积法(CCVD),以及在各种合成技术基础上产生的定向控制生长法等。 3.1电弧法利用石墨电极放电获得碳纳米管是各种合成技术中研究得最早的一种。研究者在优化电弧放电法制取碳纳米管方面做了大量的工作.T. W. Ebbeseo在He保护介质中石墨电弧放电,首次使碳纳米管的合成达到了克量级。为减少相互缠绕的碳纳米管在阴极上的烧结,D.T.Collbert将石墨阴极与水冷铜阴极座连接,大大减少了碳纳米管缺陷。C. Journet等在阳极中填人石墨粉末和铱的混合物,实现了SWNTs的大量制备。研究发现,铁组金属、一些稀土金属和铂族元素或以单个金属或以二金属混合物均能催化SWNTs合成。 近年来,人们除通过调节电流、电压,改变气压及流速,改变电极组成,改进电极进给方式等优化电弧放电工艺外,还通过改变打弧介质,简化电弧装置。 综上所述,电弧法在制备碳纳米管的过程中通过改变电弧放电条件、催化剂、电极尺寸、进料方式、极间距离以及原料种类等手段而日渐成熟。电弧法得到的碳纳米管形直,壁簿(多壁甚至单壁).但产率偏低,电弧放电过程难以控制,制备

单壁碳纳米管

序号讲座时间讲座名称主讲人12014-3-2714:30-15:35 单壁碳纳米管的结构控制生长方 法研究 张锦22014-3-3116:00-16:50sps技术与稀土功能材料张久兴32014-4-2515:00-16:20最高引用高分子论文评析江明 42014-5-2215:00-16:06Infrared transmitting glasses for night vision and energy applications 章向华 52014-06-0514:30-15:50 Methodologies toward Efficient Syntheses of Chiral Natural Products and Drugs 汤文军、马利 单壁碳纳米管 刘文菊① 中山大学化学与化学工程学院, 广东广州510275, 11320143) 摘要单壁碳纳米管具有多种优良性能,在多个领域均有广阔应用前景,可使用多种方法制备,如电弧放电法、催化裂解法、激光蒸发法、热解聚合物法、水热合成法和电解法等方法。关键词单壁碳纳米管合成方法应用 1引言 碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNTs),又名巴基管,是一种具有特殊结构的一维量子材料,其特征是:径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级,管子两端基本上都封口。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定

的距离,约0.34nm,直径一般为2~20nm。并且根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。其中螺旋型的碳纳米管具有手性,而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。 碳纳米管可看作是由石墨层卷曲而成的无缝管,当石墨层为单层时,对应的为单壁碳纳米管(Single Walled Carbon Nanotubes,SWNTs);当石墨层为两层或多层时,则分别对应双壁或多壁碳纳米管。[1] 碳纳米管的强度和弹性模量极高、热稳定性极好,可制造高强度、稳定性好的轻型复合增强性功能材料,具有巨大的潜在应用价值。而单壁碳纳米管最能体现碳纳米管的性质特点,单壁碳纳米管的发现与研究已经被Science评为1997年人类十大发现之一,足可证明单壁碳纳米管的巨大潜力。 图1 由石墨烯片层卷曲成SWNT的示意图[1] 2SWNT的合成方法 单壁碳纳米管的制备方法众多,其中最为成熟、应用最多的方法主要包括电弧放电法和催化裂解法。除以上两种方法以外,激光蒸发法、热解聚合物法、水热合成法和电解法等方法也被用于单壁碳纳米管的制备。[2]

碳纳米管科普

碳纳米管科普 骞伟中?
一 心细如发,发真得够细吗??
中国有句谚语为"心细如发",用来形容一个人的心思缜密,细微程度达 到了头发丝的尺寸。 在古人的眼里, 头发丝已经是非常细的东西的代表了。 或者, 人们形容薄时,爱用“薄如蝉翼” ,但蝉翼真得够薄吗?然而,大家知识头发丝 的直径或蝉翼的厚度是什么尺度的吗?仅仅是几十微米而已。 有没有比头发丝更 细的丝及比蝉翼更薄的纸吗? 事实上还多得很。 比如铜丝,现代的加工技术可以将铜丝拉伸到小于 10 微米的级别。用于光 导通讯的玻璃纤维丝,也能达到这个级别。 而更绝的是,用激光刻蚀可以在硅片上刻出几十纳米(nm)的细槽,从而成 为现代超级计算机的基础。 但你可能更加想不到的是, 人类真得造出了直径仅 0.4‐1nm 的碳丝(图 1), 而 且还是中空结构。这种材料与头发丝相比,直径小了 1 万倍。另外一种比喻可以 让你进一步想象 1nm 有多大,人的指甲的生长速度几乎是不为人察觉的。人一 般觉得指甲长了,总得一周左右 的时间。但即使这样,您的指甲 仍以每秒 1nm 的速度在不停地生 长。但由于一个分子的大小也就 在 0.3nm(如氢气分子)到 0.6 nm(如苯分子),所以你可以想象 这种碳丝在本质上就是一种原子 线或分子线。但它的确构成了一 种长径比巨大的固体材料,成为 一种实物,而不再是无所束缚的, 到处乱跑的分子或原子。
图1 碳纳米管的三种卷曲结构 (从上而下的英文 字形结构;手性结构)?
armchair
zigzag
chiral
为:扶手椅式结构;Z

实际上, 这种神奇的材料的发现是基于非常偶然的机缘。 在 1985‐1990 年间, 科学家热衷于制造一种形状像足球的由 60 个碳组成的分子。这种分子通常是用 电弧放电,将石墨靶上的碳原子进行激发,然后进行自组装而得。而在偶然的机 缘里,科学家发现,只要能量足够,这些碳原子就会自动连接起来,形成一条碳 链。而利用放大倍数在 10 万倍至 100 万倍的电子显微镜下,科学家惊异地发现 这个丝状的材料竟然是中空的管状材料,所以,根据其元素,尺寸与形状,科学 家形象地称这种材料为“碳纳米管” 。应该说这种丝状材料与头发相比,才是真 正算得上细与小。当然如果说一个人“心细如碳纳米管” ,则恐怕不只是“心细 如发”的赞许与褒扬,而或许带有一种调侃或讽刺意味的“小心眼”了。由此可 见,社会科学中的词语包含了粗与细的平衡,什么事都得适可而止,非常玄妙。 然而,在追求真理与真知的“实心眼”科学家那里,却不是这样,自从 C60 与碳纳米管的发现,人类正式进行了纳米时代,可能大家都听过“纳米领带” , “纳米洗衣机” 或 “纳米药物” 。 不论这些东西是否属实, 却毫无疑问地夸耀 “细” 与“小”的作用。 事实上,追求细小或细微或精细,是人类科技进步的一条主线。 从人类走过的路程可以看到,从旧石器时代,新石器时代,以及青铜时代, 铁器时代,到火车轮船时代,以及飞机及计算机时代。从手工打造,铸造,到普 通车床加工, 再到数字车床加工, 激光刻蚀。 比如, 普通汽车与拖拉机的发动机, 一般有成千至万个零件。而飞机或火箭的发动机则有上百万个零件组成。而保证 这个零件良好组合或密封,以及长时间工作不损伤的关键因素,就在加工结构的 精细化与细微化。一般来说,汽车与拖拉机对应的加工精度为微米级,而计算机 与手机等通讯产品中硅片的加工精度则为纳米级。人类加工的产品越来越精细, 也就越来越有功能。而到达纳米级后,计算机硅片的加工要求又从 100 nm,小 到 60?nm,直到目前的 15?nm。这些数字减小的后面,是一代一代计算机的更新 换代与巨大的产业价值。 而我们故事的主人公:碳纳米管,竟然可以小至 0.4‐1nm。大家可以想见, 如果计算机的加工基础可以小到这个程度,或由这么小的材料来组装器件,则现 代的工业革命又将会发生什么样的变化。 在此开篇,有必要向大家介绍一下时空的概念。在时间尺度上,生物的新陈

电化学阻抗解析多壁碳纳米管_活性炭的电化学性能_耿新

收稿日期:2010-07-06;修回日期:2011- 05-29基金项目:辽宁省教育厅科学基金(2008330),中国科学院王宽诚教育基金. 作者简介:耿 新(1967-),男,江苏江阴人,博士,副教授,主要从事电化学电容器及电极材料研究.E- mail :gengxin60@163.com 文章编号: 1007-8827(2011)03-0307-06 电化学阻抗解析多壁碳纳米管/活性炭的电化学性能 耿 新1,2 ,李 峰2,王大伟2,成会明 2(1.辽宁科技大学化工学院,辽宁鞍山114051 2.中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室,辽宁沈阳110016) 摘要:以石油焦为原料化学活化制得活性炭(Activated carbon ,AC ),在此AC 中加入不同量的多壁碳纳米管 (Multi-walled carbon nanotubes ,MWCNTs )作为超级电容器电极材料。依据交流阻抗谱中阻抗与电容关系,区分有效容量和内阻造成的能量损失,评价了超级电容器的性能。结果表明:加入质量分数3% 15%MWCNTs 的AC 电极,实部电容高于纯AC 电极,虚部电容则随着MWCNTs 添加量的增加而显著降低。且其实部电容分数随MWCNTs 加入量的增加呈上升趋势,虚部电容分数则随MWCNTs 加入量增加而降低。在AC 电极中加入MWC-NTs ,在降低电极内阻的同时可有效提高超级电容器的储能效率,并降低弛豫时间,提高其频率特性,改善电容行为。关键词: 活性炭;多壁碳纳米管;电化学阻抗谱;弛豫时间常数 中图分类号: TB 332 文献标识码: A 1前言 超级电容器由于具有高于物理电容器的能量密 度和优于二次电池的功率密度而备受关注[1-5] 。超 级电容器可以应用于功率电器设备以及后备电源等 各个领域, 特别是随着电动汽车计划的深入开展,超级电容器可提供电动汽车启动所需的脉冲电流以及 回收刹车能量。超级电容器可采用的电极材料包括各种炭材料[6-7] 、金属氧化物 [8-9] 以及导电聚合 物 [10] ,其中炭材料(以AC 为主)是应用最广泛、研 究最多的电极材料。许多研究表明, AC 的孔结构和导电性是储存能量和功率放电性能的最主要影响因素 [11-14] 。碳纳米管独特的优良导电性能和缠绕 网络结构, 作为超级电容器电极材料具有良好的功率放电性能,但是它储存容量远低于AC [15-16] 。 评价超级电容器储存的容量,可采用恒流充放电、循环伏安和交流阻抗等方法计算,其中前两种方法采用的较多,但这两种方法的计算结果包含有电 极内阻产生的热能, 不能反映出超级电容器可提供的实际有效容量;尽管交流阻抗谱经过数据转换和处理可得到超级电容器的有效容量和内阻产生的热 量信息,为评价超级电容器的性能提供有益参考,但目前交流阻抗谱在超级电容器方面研究报道很少。 本文主要报道:以石油焦为原料经化学活化制 备的AC 为电极材料, MWCNTs 为导电剂,在保留微孔结构AC 具有较高的储能性能的前提下,加入MWCNTs 以改善AC 电极的导电性,以提高碳基超级电容器的功率放电性能。在此基础上,利用交流阻抗谱研究添加MWCNTs 后,超级电容器可获得的实际有效容量及其功率放电变化。 2 实验 2.1 炭材料及其电极制备与测定 以石油焦为原料,KOH 为活化剂,在N 2气氛下 800?活化1h 制得AC ,而后用水洗至中性,干燥后得样品。MWCNTs 以CVD 法制备,经过分散、酸煮、空气氧化、酸浸泡步骤制得 [17-18] 。采用 ASAP2010吸附仪测定AC 和MWCNTs 的比表面积及孔径分布。实验所用AC 和MWCNTs 的比表 面积分别为2480m 2/g 和82m 2 /g 。 炭电极组成(质量分数):AC (x )、MWCNTs (y )、PTFE (5%),x +y =95%,MWCNTs 加入量y =0 50%。电解液采用6mol /dm 3的KOH ,泡沫镍 作为集流体(泡沫镍的面积为4cm 2 )。将AC 、 MWCNTs 、聚四氟乙烯(PTFE )按电极材料总质量的质量分数称量后,加入适量的乙醇调和均匀涂敷到泡沫镍上。经120?真空干燥后,在10MPa 下压 第26卷第4期2011年8月新型炭材料NEW CARBON MATERIALS Vol.26No.4Aug.2011

碳纳米管综述

碳纳米管综述 摘要:本文主要介绍碳纳米管的发现及发展过程,并说明碳纳米管的制备方法及其制备技术。同时也叙述碳纳米管的各种性能与应用。 引言:在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时,意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Carbon nanotube”,即碳纳米管,又名巴基管。 正文: 碳纳米管的制备: 碳纳米管的合成技术主要有:电弧法、激光烧蚀(蒸发)法、催化裂解或催化化学气相沉积法(CCVD,以及在各种合成技术基础上产生的定向控制生长法等。电弧法 利用石墨电极放电获得碳纳米管是各种合成技术中研究得最早的一种。研究者在优化电弧放电法制取碳纳米管方面做了大量的工作。 T. W. Ebbeseo[2]在He保护介质中石墨电弧放电,首次使碳纳米管的合成达到了克量级。为减少相互缠绕的碳纳米管在阴极上的烧结,D.T.Collbert[3]将石墨阴极与水冷铜阴极座连接,大大减少了碳纳米管缺陷。C. Journet[4]等在阳极中填人石墨粉末和铱的混合物,实现了SWNTs的大量制备。研究发现,铁组金属、一些稀土金属和铂族元素或以单个金属或以二金属混合物均能催化SWNTs 合成。 近年来,人们除通过调节电流、电压,改变气压及流速,改变电极组成,改进电极进给方式等优化电弧放电工艺外,还通过改变打弧介质,简化电弧装置。 综上所述,电弧法在制备碳纳米管的过程中通过改变电弧放电条件、催化剂、电极尺寸、进料方式、极间距离以及原料种类等手段而日渐成熟。电弧法得到的碳纳米管形直,壁簿(多壁甚至单壁).但产率偏低,电弧放电过程难以控制,制备成本偏高其工业化规模生产还需探索。 催化裂解法或催化化学气相沉积法(CCVD) 催化裂解法是目前应用较为广泛的一种制备碳纳米管的方法。该方法主要采用过渡金属作催化剂,适于碳纳米管的大规模制备,产物中的碳纳米管含量较高,但碳纳米管的缺陷较多。 催化裂解法制备碳纳米管所需的设备和工艺都比较简单,关键是催化剂的制备和分散。目前用催化裂解法制备碳纳米管的研究主要集中在以下两个方面:大规模制备无序的、非定向的碳纳米管;制备离散分布、定向排列的碳纳米管列阵。一般选用Fe, Co、Ni及其合金作催化剂,粘土、二氧化硅、硅藻土、氧化铝及氧化镁等作载体,乙炔、丙烯及甲烷等作碳源,氢气、氮气、氦气、氩气或氨气作稀释气,在530℃~1130℃范围内,碳氢化合物裂解产生的自由碳离子在催化剂作用下可生成单壁或多壁碳纳米管。1993年Yacaman等人[5]采用此方法,用Fe催化裂解乙炔,在770℃下合成了多壁碳纳米管,后来分别采用乙烯、聚乙烯、丙烯和甲烷等作为碳源,也都取得了成功。为使碳离子均匀分布,科研人员还用等离子加强或微波催化裂解气相沉积法制备碳纳米管。 激光蒸发法

碳纳米技术发展综述

碳纳米管技术发展概况 学院:电子信息工程学院 专业:通信工程 姓名:彭昱 学号:3013204217 【摘要】随着社会经济的飞速发展,碳纳米材料的应用日趋广泛,以富勒烯、石墨烯和碳纳米管为代表的碳纳米材料。在经历20世纪90年代的研究高潮后,如今也已经进入了平稳扎实的研究阶段。随着研究的不断深入,碳纳米材料在人类生产生活中显示出越来越多不可替代的重要作用。碳纳米管(CNT)也是“纳米世界”中的重要一员,因其独特的结构和优异的物理化学性能,具有广阔的应用前景和商业价值。本文综述了碳纳米管的发展历程、结构性能,应用及其发展前景及展望。 【关键词】碳纳米管;发展历程;结构;特性;应用;前景 碳纳米管的发展历程 1985 年英国萨塞克斯大学的波谱学家Kroto 教授与美国莱斯大学的Smalley和Curl 两教授在合作研究中,发现碳元素可以形成由60 个或70 个碳原子构成的高度对称性笼状结构的C60和C70分子,被称为巴基球(Buckyballs);1991 年,日本NEC 科学家Iijima 在制取C60的阴极结疤中首次采用高分辨隧道电子显微镜发现一种外径为515nm、内径为213nm,仅由两层同轴类石墨圆柱面叠而成的碳纳米管;1992年,科研人员发现碳纳米管壁曲卷结构不同而呈现出半导体或良导体的特异导电性;1995年,科学家研究并证实其优良的场发射性能;1996年,我国科学家实现碳纳米管大面积定向生长;1998年,科研人员应用碳纳米管作电子管阴极,同年,科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管;1999年,韩国一个研究小组制成碳纳米管阴极彩色显示器样管;2000年,日本科学家制成高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。 碳纳米管的结构 碳纳米管是由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管。按照所含石墨片层数的不同,碳纳米管可分为:单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。单壁管典型直径在0.6-2nm,多壁管最内层可达0.4nm,最粗可达数百纳米,但典型管径为2-100nm。下图为常见的碳纳米管结构图。虽然从本质上讲,碳纳米管都是有相同的石墨层构成的但它们的导电特性却并不一样,具体情况取决于起的是金属还是半导体的作用。 碳纳米管的特性 碳纳米管的独特结构决定了它具有许多特殊的物理和化学性质。组成碳纳米管的C=C 共价键是自然界最稳定的化学键,所以使得碳纳米管具有非常优异的力学性能。理论计算表明,碳纳米管具有极高的强度和极大的韧性。其理论值估计杨氏模量可达5TPa,强度约为钢的100 倍,而重量密度却只有钢的1/6。Treacy 等首次利用了TEM 测量了温度从室温到800 度变化范围内多壁碳纳米管的均方振幅,从而推导出多壁碳纳米管的平均杨氏模量约为1.8Tpa。而Salvetat 等测量了小直径的单壁碳纳米管的杨氏模量,并导出其剪切模量为1Tpa。Wong 等用原子力显微镜测量多壁碳纳米管的弯曲强度平均值为14.2±10.8GPa,而碳纤维的弯曲强度却仅有1GPa。碳纳米管无论是强度还是韧性,都远远优于任何纤维,被认为是未来的“超级纤维”。直径、螺旋角以及层间作用力等存在的差异是碳纳米管兼导体和半导体的特性;独特的螺旋分子结构使碳纳米管构筑的吸波材料具有比一般吸收材料高的吸收率。此外,碳纳米管还具有独特的光学性能,良好的热传导性,极高的耐酸、碱性和热稳定性。

碳纳米管-导电聚合物复合材料与电化学储能

万方数据

中国有色金属学报2004年10月 电站的调峰辅助装置具有优势,而超大电容器则可能成为高容量移动型电源的间歇或脉冲式高功率动力源。 超大电容器的科学名称为电化学电容器(elec—trochemicalcapacitor)[4。引。根据储电机理可分为2类。一种是以固、液界面上的双电层为基础,将多孑L高比表面惰性导电材料,例如活性炭和碳纳米管(carbonnanotubes,CNT),制成电极,与高离子导电率、高介电率电解液一起构成的“双层电容器”(double—layercapacitor)。另一种是以薄层电池或薄膜电极的快速可逆嵌入过程为基础,将固体电化学活性物质,例如无定型水合氧化钌(a—Ru0。?nH20),聚苯胺(polyaniline,PAn)和聚吡咯(poly—pyrrole,PPy),制成薄膜电极,与含电极嵌入离子的电解液一起构成的“假电容器”(pseudo—capaci—tor)。双层电容器具有电压高,充放电速度快,循环寿命长等优点,但比电容较低(一般低予200F?g_1)。假电容器的工作原理与二次电池类似,比电容高(可大于1000F?g_1),但充放电速度、循环寿命和材料价格等指标尚与商业化要求有差距。 目前超大电容器研究和应用面临的另一问题是活性材料的“质量比电容”和“电极电容”之间的差距。质量比电容一般是在较严格的实验室条件下,用微量(毫克级)活性材料制成电极而测出的参数(具有热力学意义)。然而,当电极材料量增加时,特别是电极的厚度增加时,电极电容并不总是成比例增加,有些情况下还会减少。这种差距的主要原因是电子和离子在电极中运动所受到的动力学阻力。例如,电极材料本身的电子导电率不高,离子向电极内部迁移困难等。 近年来,作为超大电容器中的新型电极材料,碳纳米管一导电聚合物多孔复合材料薄膜受到了学术界和工业界的广泛关注。本研究组报告了一种简单有效的制备多孔碳纳米管一导电聚合物复合材料薄膜的电化学方法,并对所得薄膜的电化学电容性能和材料结构进行了不同程度的研究,获得了较高的电化学电容量(电极电容超过3F?cm-2)[8q2|。在此,作者介绍了这一工作的主要结果,研究了碳纳米管与导电聚合物各种相互作用及其对复合材料电化学电容性能的影响。 1电化学合成与材料结构特征 将电弧法或气相催化沉积法制备的碳纳米管加入H。SO。与HNO。的混合液中进行加热回流反应。产品用水清洗后得到中性或弱酸性的碳纳米管悬浊液。由于酸氧化作用,碳纳米管表面生成羟、羧基而带负电[13’14]。向悬浊液中加入聚合物单体,如吡咯或苯胺,并视情况决定是否添加电解质,在一定条件下电解,在阳极上沉积碳纳米管一导电聚合物复合材料薄膜[8’9]。得到的复合膜厚度可达毫米级(过厚可能降低电容性能)。当电化学聚合反应可在中性溶液中进行时,例如吡咯的电化学聚合,悬浊液中表面带负电荷的碳纳米管可以传导电流,因而不必添加电解质。电化学合成的碳纳米管一聚吡咯复合材料的电镜照片如图1所示。可见,电解得到的复合膜中全部碳纳米管被聚合物均匀包裹。在弱酸性悬浊液中进行电化学聚合反应,例如苯胺的电化学聚合,由于碳纳米管表面羟、羧基团的质子化,负电荷减少,需要在悬浊液中添加电解质,例如HCI或KCl,来提高离子导电率。电解得到的复合膜中则只有部分碳纳米管被聚合物均匀包裹,同时含有单独的聚合物相。实验结果表明,沉积复合膜中的碳纳米管含量与悬浊液中的碳纳米管含量有对应关系。同时,碳纳米管表面包裹聚合物层的厚度则随悬浊液中的碳纳米管含量的增加而降低。由于聚合物包裹的碳纳米管的无规则堆积,在沉积复合膜中构成有纳米和微米2个层次的多孔结构。 Fig.1TypicalTEM(a)andSEM(b) imagesofelectrochemicallysynthesised CNT—PPy composites  万方数据

单壁碳纳米管的轴向能带工程

中国科学B辑:化学 2009年 第39卷 第10期: 1069~1088 https://www.wendangku.net/doc/a21096531.html, https://www.wendangku.net/doc/a21096531.html, 《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS 单壁碳纳米管的轴向能带工程 现晓军, 刘忠范* 北京大学纳米化学研究中心, 北京大学化学与分子工程学院, 北京 100871 * 通讯作者, E-mail: zfliu@https://www.wendangku.net/doc/a21096531.html, 收稿日期:2009-07-11; 接受日期:2009-08-02 摘要单壁碳纳米管具有优异的电子学特性, 是制备新一代高性能集成电路的重要材料. 碳纳米管芯片之路存在诸多挑战, 包括直径和手性的控制生长方法、金属性和半导体性单壁碳纳米管的分离方法、器件加工与集成方法等. 这些课题从本质上讲大多属于化学问题, 因此碳纳米管芯片研究为化学家们提供了新的机遇与挑战. 过去10年来, 我们围绕单壁碳纳米管的轴向能带工程这一研究思路, 开展了一系列碳纳米管芯片的基础探索工作, 发展了若干有效的单壁碳纳米管局域能带的调控方法, 包括温度阶跃生长法、脉冲供料生长法、基底调控法以及形变调控法等. 本文系统地阐述了这些局域能带调控方法, 为使读者对该领域的研究进展有一个较为全面的了解, 文中对其他课题组开展的代表性工作也给予了综述性介绍. 关键词 碳纳米管 CVD CMOS器件 轴向能带工程 纳米转移印刷技术 1引言 碳纳米管是日本NEC公司的电子显微学家Iijima S(饭岛澄男)博士发现的. 1991年, Iijima S在用高分辨透射电镜观察富勒烯原始样品时, 偶然发现了多层套管状的多壁碳纳米管[1]. 两年后, Iijima S和IBM公司的Bethune D S在“Nature”杂志的同一期上同时报道了由单层管构成的单壁碳纳米管[2,3], 从而掀起了世界范围的持续至今的碳纳米管研究热潮. 理论上讲, 单壁碳纳米管是理想的导电沟道材料, 用单壁碳纳米管制作的场效应晶体管(FET)有着硅晶体管无与伦比的优越性, 因此它的问世为新一代高性能集成电路研究注入了新的活力[4]. 首先, 单壁碳纳米管中载流子的传输是一维的, 这就意味着载流子散射的相空间减小, 反向散射受到强烈抑制, 从而导致极高的载流子迁移率. 理论和实验研究都表明, 碳纳米管中载流子的迁移率比硅材料高两个数量级以上. 高载流子迁移率带来的好处是工作电流大, 延迟时间短, 因此可以预期, 碳纳米管芯片的速度将大大高于硅芯片. 硅基CMOS器件在特征尺寸进入纳米领域时, 会出现所谓的短沟效应. 单壁碳纳米管的直径通常在1~2 nm范围, 载流子被限域在非常狭小的空间范围内运动, 因此可以有效地抑制这种短沟效应, 使得理想的静电学控制成为可能, 这是碳纳米管FET的另一个优点. 碳纳米管中的碳原子呈稍微变形的sp2成键构型, 径向方向不存在未饱和的悬挂键, 因此不需要表面化学钝化, 这一点与呈sp3成键结构的硅材料完全不同. 这意味着碳纳米管器件不必一定使用二氧化硅作为栅极绝缘材料, 可以采用其它高介电常数材料, 在材料选择上的自由度大得多. CMOS技术是传统的硅基微电子器件的基础, 其基本结构单元是互补的n型和p型场效应晶体管. 因为碳纳米管能带中的导带和价带是对称的, 由此人们预测碳纳米管FET中的电子和空穴传输特性也是相似的, 这样可以为互补电路提供更平衡的电 1069

碳纳米管在电化学中的应用

碳纳米管在电化学中的应用 【摘要】对碳纳米管修饰电极的制备方法、应用以及碳纳米管修饰电极的发展趋势作比较全面的综述。 【关键词】碳纳米管;化学修饰电极 Application of the Carbon nanotube in electrochemistry Abstract The methods of preparation, applications and developing trends of carbon nanotube modified electrodes in the field of electrochemistry were reviewed. Key words Electrochemistry Carbon nanotube modified electrodes 碳纳米管,又名巴基管(buckytube),是1991年由日本科学家饭岛澄男(Sumio Iijima)在高分辨透射电镜(HRTEM)下发现的一种针状的管形碳单质。它以特有的力学、电学和化学性质,以及独特的准一维管状分子结构和在未来高科技领域中所具有的潜在应用价值,迅速成为化学、物理及材料科学等领域的研究热点。目前,碳纳米管在理论计算、制备和纯化生长机理、光谱表征、物理化学性质以及在力学电学、化学和材料学等领域的应用研究方兴未艾,在一些方面已取得重大突破。碳纳米管(CNT)的发现,开辟碳家族的又一同素异形体和纳米材料研究的新领域。 由于CNT具有良好的导电性、催化活性和较大的比表面积,可使过电位大大降低及对部分氧化还原蛋白质能产生直接电子转移现象,因此被广泛用于修饰电极的研究。碳纳米管在作为电极用于化学反应时能促进电子转移。碳纳米管的电化学和电催化行为研究已有不少报道。 1碳纳米管的分类 CNT属于富勒碳系,管状无缝中空,具有完整的分子结构,由碳六元环构成的类石墨平面卷曲而成,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,各单层管的顶端有五边形或七边形参与封闭。CNT的径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级,具有较大的长径比。由单层石墨片卷积而成的称为单壁碳纳米管(SWNT),制备时管径可控,一般在1~6 nm之间,当管径>6 nm后CNT 结构不稳定,易塌陷。SWNT轴向长度可达几百纳米甚至几个微米。由两层以上柱状碳管同轴卷积而成的称为多壁碳纳米管(MWNT),层间距约为0.34 nm。

碳纳米管功能化的途径、机理和表面特征

第43卷第8期 当 代 化 工 Vol.43,No.8 2014年8月 Contemporary Chemical Industry August,2014 收稿日期: 2014-01-16 作者简介: 江盛玲,女,硕士,讲师,研究方向:高分子物理和分析测试。 通讯作者: 吕亚非(1955-),男,研究员,博士,研究方向:功能高分子及其复合材料。E-mail:ylu623@https://www.wendangku.net/doc/a21096531.html,。 碳纳米管功能化的途径、机理和表面特征 江盛玲1,齐士成1,员荣平2 ,张孝阿1,李 娟3,吕亚非1 (1. 碳纤维与功能高分子教育部重点实验室,北京化工大学,北京 100029; 2. 北京化工大学高新技术研究院, 北京 100029; 3. 盐城工学院材料工程学院,江苏 盐城 224300) 摘 要:由碳纳米管的功能化有共价键和非共价键两种方法。共价键功能化的机理是通过氧化或还原反应在碳纳米管表面生成极性或反应性基团(表面基团化),继而通过化学反应使碳纳米管表面有机化或聚合物化。非共价键功能化的机理是基于碳纳米管表面的π体系和疏水性可与含π电子的芳烯化合物发生π-π相互作用或与含疏水链的表面活性剂发生物理吸附。本文综述碳纳米管功能化的研究进展,完善了Kim 等提出的碳纳米管功能化表面的代数表示:表面基团化的为1G,表面有机化的为2G,表面聚合物化的为3G。 关 键 词:碳纳米管;共价键功能化;非共价键功能化;表面特征 中图分类号:TQ 127.1 文献标识码: A 文章编号: 1671-0460(2014)08-1425-04 Functionalization Approaches, Mechanisms and Surface Features of Functionalized Carbon Nanotubes JIANG Sheng-ling 1, QI Shi-cheng 1, YUN Rong-ping 2, ZHANG Xiao-a 2, LI Juan 3, LV Y a-fei 1 (1. Key Laboratory of Carbon Fiber and Functional Polymers, Ministry of Education, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029,China; 2. High-Tech Research Institute, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029,China; 3. College of Materials Engineering, Yancheng Institute of Technology, Jiangsu Yancheng 224300,China) Abstract : Two approaches for surface modification of carbon nanotubes (CNT) are covalent functionalization and non-covalent functionalization. The mechanism of covalent approach is to attach the reactive groups to the surface of CNT by oxidative or reduced reactions firstly, then transforming the groups to organic moieties, or to polymeric chains by grafting from or click reactions. The mechanism of non-covalent functionalization of carbon nanotubes involves the π-π interactions between π- system of carbon nanotubes and π-containing organic moieties or polymers and adsorption of surfactants on surface of carbon nanotubes. The surface features of functionalized carbon nanotubes suggested by Kim et al. can be expressed as the surface containing reactive groups is the 1st generation (1G), the attachment of organic moieties on CNT is 2G and the surface linked with polymeric chains is 3G . Key words : carbon nanotubes (CNT); covalent functionalization; non-covalent functionalization; surface features 1991年Iijima 发现了碳纳米管(CNT )。碳纳米 管包括单壁(MWCNT)和多壁碳纳米管(SWCNT) 是第一个具有管状形态(1维)、直径为纳米尺度的 碳材料(图1)[1]。碳纳米管具有优异电、光、磁等 功能和极高力学性能,在纳米电子学、纳米生物学 和纳米材料学等领域有广泛应用,在纳米材料与技 术发展史中占有重要地位[2,3]。但碳纳米管还具有表 面化学惰性和在范德瓦尔力作用下易团聚的特征, 在制备各种功能和高性能纳米复合材料时需要功能 化(表面改性),以解决基体的界面粘合性和分散性 差的问题。对碳纳米管功能化的研究证明功能化有 利于碳纳米管在聚合物基体中的分散,有利于碳纳 米管在复合材料中起增强和增韧作用。碳纳米管功 能化主要有两种方法[4]: (1)共价键功能化包括氧化、还原等多种化学反应、单体接枝聚合和聚合物接枝反应以及点击化学反应;(2)非共价键功能化包括π-π相互作用和物理吸附。 图1 扫描通道显微镜观察的单壁碳纳米管表面形貌 Fig.1 Morphology of SWNT observed by STM

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