碳纳米管及其应用幻灯片.ppt

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1、碳碳碳碳纳纳米管及其米管及其米管及其米管及其应应用用用用第1页，共21页，编辑于2022年，星期一主要内容:1.碳纳米管的发现2.碳纳米管结构3.碳纳米管结构的表征4.碳纳米管的生产方法5.独特性质6.应用前景第2页，共21页，编辑于2022年，星期一1.碳纳米管的发现C60及富勒烯化合物 1985年英国Sussex大学的Kroto教授和美国Slice大学的Smalley教授发现碳纳米管（CNTs）1991年，日本科学家饭岛（Iijima）发现，在Nature发表文章公布了他的发现成果，这是碳的又一同素异型体。第3页，共21页，编辑于2022年，星期一2.碳纳米管结构1)按形态分普通封口型变径

2、型洋葱型海胆型竹节型念珠型纺锤型螺旋型其他异型第4页，共21页，编辑于2022年，星期一2)按手性分通常依照n，m 的相对关系，将单壁碳纳米管分为 achiral 和chiral 两个基本类型。Achiral 型又分为zigzag（锯齿型）和armchair（扶手椅型）两类。当n 和m 其中之一为0 时，为zigzag 型；当n=m 时为armchair 型；其它所有情况都称为chiral 型(手性管）。Armchair(n,m)=(5,5)Zigzag(n,m)=(9,0)第5页，共21页，编辑于2022年，星期一3)3)按照石墨烯片的层数，可分为：按照石墨烯片的层数，可分为：1)单壁碳纳米

3、管（Single-walled nanotubes,SWNTs）：由一层石墨烯片组成。单壁管典型的直径和长度分别为 0.753nm和150m。又称富勒管(Fullerenes tubes)。2)多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes,MWNTs）：含有多层石墨烯片。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。第6页，共21页，编辑于2022年，星期一扫描隧道显微镜X射线衍射孔结构及比表面积电子衍射拉曼光谱3.纳米管结构的表征：纳米管结构的表征：第7页，共21页，

4、编辑于2022年，星期一4.碳纳米管的生产方法简介 石墨电弧法石墨电弧法浮动催化法浮动催化法（即碳氢化合物催化分解法，又称（即碳氢化合物催化分解法，又称CVD法）法）激光蒸汽法激光蒸汽法燃烧火焰法燃烧火焰法第8页，共21页，编辑于2022年，星期一基本原理：基本原理：电弧室充惰性气体保护，两石墨棒电极靠近，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，所以阳极石墨棒不断被消耗，同时在石墨阴极上沉积出含有碳纳米管的产物。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。Iijima等生产出了半径约1 nm

5、的单层碳管。石墨电弧法石墨电弧法第9页，共21页，编辑于2022年，星期一燃烧火焰法燃烧火焰法 利用液体（乙醇、甲醇等）、气体（乙炔、乙烯、甲烷等）和固体（煤炭、木炭）等产生火焰分解其碳-氢化合物获得游历碳原子，为合成碳纳米管提供碳源；然后将基板材料做适当处理，最后将基板的一面向下，面向火焰放入火焰中，燃烧一段时间后取出。基板上的棕褐（黑）色既是碳纳米管或碳纳米纤维。产生碳纳米管或碳纳米纤维的过程主要决定于基板的性质。基板的选择和处理、燃料的选择等是本方法的关键技术。优点有：合成过程无需真空、保护气氛；无需催化剂；可以在大的表面上合成，特别适合于在一个平面上形成一层均匀的碳纳米管或碳纳米纤维薄

6、膜；成本较低，对环境的污染也非常小。可以实现大批量合成。第10页，共21页，编辑于2022年，星期一碳纳米管的独特性质碳纳米管的独特性质1)力学性能 碳纳米管的抗拉强度达到50200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级。它是最强的纤维，在强度与重量之比方面，这种纤维是最理想的。第11页，共21页，编辑于2022年，星期一2)电学性能 由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTs的管径大于6mm时，导电性能下降；当管径小于6mm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。

7、第12页，共21页，编辑于2022年，星期一3)热学性能 一维管具有非常大的长径比，因而大量热是沿着长度方向传递的，通过合适的取向，这种管子可以合成高各向异性材料。虽然在管轴平行方向的热交换性能很高，但在其垂直方向的热交换性能较低。纳米管的横向尺寸比多数在室温至150oC电介质的品格振动波长大一个量级，这使得弥散的纳米管在散布声子界面的形成中是有效的，同时降低了导热性能。适当排列碳纳米管可得到非常高的各向异性热传导材料。第13页，共21页，编辑于2022年，星期一4)储氢性能 碳纳米管的中空结构，以及较石墨(0.335nm)略大的层间距(0.343nm)，是否具有更加优良的储氢性能，也成为科学

8、家们关注的焦点。1997年，A.C.Dillon对单壁碳纳米管(SWNT)的储氢性能做了研究，SWNT在0时,储氢量达到了5%。DeLuchi指出:一辆燃料机车行驶500km,消耗约31kg的氢气，以现有的油箱来推算，需要氢气储存的重量和体积能量密度达到65%和62kg/m3。这两个结果大大增加了人们对碳纳米管储氢应用前景的希望。第14页，共21页，编辑于2022年，星期一碳纳米管的应用前景碳纳米管的应用前景 1)超级电容器 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，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，并能在与电解质的交界面形成双电层

9、，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的电容器。第15页，共21页，编辑于2022年，星期一2)锂离子电池 碳纳米管的层间距为0.34nm,略大于石墨的层间距0.335nm,这有利于Li+的嵌入与迁出,它特殊的圆筒状构型不仅可使Li+从外壁和内壁两方面嵌入,又可防止因溶剂化Li+嵌入引起的石墨层剥离而造成负极材料的损坏。碳纳米管掺杂石墨时可提高石墨负极的导电性,消除极化。在锂离子电池中加入碳纳米管,也可有效提高电池的储氢能力,从而大大提高锂离子电池的性能。根据实验,多壁碳纳米管锂电池放电能力达到385 mAh/g,单壁管则高达640mAh/g,而石

10、墨的理论放电极限为372 mAh/g。第16页，共21页，编辑于2022年，星期一3)碳纳米管复合材料 基于纳米碳管的优良力学性能可将其作为结构复合材料的增强剂。研究表明，环氧树脂和纳米碳管之间可形成数百MPa的界面强度。除做结构复合材料的增强剂外，纳米碳管还可做为功能增强剂填充到聚合物中，提高其导电性、散热能力等如：在共轭发光聚合物中添加纳米碳管后，不但其导电率大大提高，强度也得到了改善。同时，由于纳米碳管在纳米尺度散热，避免了局部形成的热积累，可防止共轭聚合物中链的断裂，从而抑制聚合物的光褪色作用。第17页，共21页，编辑于2022年，星期一第18页，共21页，编辑于2022年，星期一4)

11、电磁干扰屏蔽材料及隐形材料 碳纳米管是一种有前途的理想微波吸收剂,可用于隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。碳纳米管对红外和电磁波有隐身作用的主要原因有两点:一方面由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长,因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多,这就大大减少波的反射率,使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱,从而达到隐身的作用;另一方面,纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大34个数量级,对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多,这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低,因此很难发现被探测目标,起到了隐身作用。由于发射到该材料表面的电磁波被吸收,不产生反射,因此而达

12、到隐形效果。第19页，共21页，编辑于2022年，星期一5)催化剂载体 纳米材料比表面积大,表面原子比率大(约占总原子数的 50%),使体系的电子结构和晶体结构明显改变,表现出特殊的电子效应和表面效应。如气体通过碳纳米管的扩散速度为通过常规催化剂颗粒 的上千倍,担载催化剂后极大提高催化剂的活性和选择性。碳纳米管作为纳米材料家族的新成员,其特殊的结构和表面特性、优异的储氢能力和金属及半导体导电性,使其在加氢、脱氢和择型催化等反应中具有很大的应用潜力。碳纳米管一旦在催化上获得应用,可望极大提高反应的活性和选择性,产生巨大的经济效益。第20页，共21页，编辑于2022年，星期一谢谢谢谢谢谢谢谢!第21页，共21页，编辑于2022年，星期一