第五章碳纳米管ppt课件.ppt

第二第二节 纳 米米 碳碳 管管 由碳原子构成的石墨由碳原子构成的石墨烯片片层围成的一种管状构造，而且它成的一种管状构造，而且它们的直径很小，根本都在的直径很小，根本都在纳米尺度，所以称其米尺度，所以称其为纳米碳管        在理想情况下，在理想情况下，仅仅包含一包含一层石墨石墨烯的的纳米碳管称米碳管称为单壁壁纳米碳管         包含两包含两层以上石墨以上石墨烯片片层的的纳米碳管称米碳管称为多壁多壁纳米碳管，米碳管，片片层之之间的的间隔隔为0.34-0.36nm0.34-0.36nm不同管壁数目的纳米碳管的高分辨电镜照片不同管壁数目的纳米碳管的高分辨电镜照片〔从左至右管壁数目分别为一至五〕〔从左至右管壁数目分别为一至五〕 10-20 nm diameter70nm diameter150nm(a) and 300nm(b)TEM images of CNTs with 6 nm(a) and 100nm(b) diameterHRTEM images of CNTsHRTEM images of the cross-section of CNTs.19911991年，日本年，日本NECNEC公司公司S IijimaS Iijima，为了察看电弧蒸发石墨得到，为了察看电弧蒸发石墨得到的各种产物，在不断改动实验条件过程中，发现所得到的产的各种产物，在不断改动实验条件过程中，发现所得到的产物中除了制备物中除了制备C60C60时出现的灰状产物以外，在电极上还有一时出现的灰状产物以外，在电极上还有一些呈针状的产物。

将这些针状产物在高分辨电子显微镜下观些呈针状的产物将这些针状产物在高分辨电子显微镜下观察，发现该针状物是直径为察，发现该针状物是直径为4 4～～3030纳米，长约纳米，长约1 1微米，由微米，由2 2个到个到5050个同心管构成，相邻同心管之间平均间隔为个同心管构成，相邻同心管之间平均间隔为0.340.34纳米进一步实验研讨阐明，这些纳米量级的微小管状构造是由进一步实验研讨阐明，这些纳米量级的微小管状构造是由碳原子六边形网格按照一定方式陈列而构成，或者可以将碳原子六边形网格按照一定方式陈列而构成，或者可以将其想象成是由一个六边形碳原子构成的平面卷成的中空其想象成是由一个六边形碳原子构成的平面卷成的中空管体，而在这些管体的两端能够是由富勒烯构成帽子管体，而在这些管体的两端能够是由富勒烯构成帽子这就是多壁纳米碳管这就是多壁纳米碳管19931993年，年，S IijimaS Iijima等和等和DS BethuneDS Bethune等同时报道了采用电弧法，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纳米碳管，即单壁纳米碳管产物。

管壁的纳米碳管，即单壁纳米碳管产物带有带有C60C60、、C70C70和和C80C80笼状构造扶手椅形、锯齿形以及螺笼状构造扶手椅形、锯齿形以及螺旋形的单壁纳米碳管构造表示图旋形的单壁纳米碳管构造表示图一、结一、结     构构单壁壁纳米碳管可以看成是石墨米碳管可以看成是石墨烯片片层平面映射成平面映射成圆柱，石墨柱，石墨烯片片层中点中点阵可以采用向量可以采用向量 C=ma1+na2 C=ma1+na2表示表示(n, m(n, m为整数整数, a1, a1，，a2a2是石是石墨墨烯中的中的单位向量，分位向量，分别为〔〔1/21/2，，√3√3〕〕a a和〔和〔1/21/2，－，－√3√3〕〕a, a, a =0.246nma =0.246nm＝＝√3ac-c√3ac-c，，ac-cac-c为碳碳碳碳键长) )可以用〔可以用〔n, mn, m〕两个参数表示一个〕两个参数表示一个单壁壁纳米碳管，所以在不思索米碳管，所以在不思索手性的情况下，手性的情况下，单壁壁纳米碳管可以由两个量完全确定米碳管可以由两个量完全确定  碳碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊构造〔径向尺米管，又名巴基管，是一种具有特殊构造〔径向尺寸寸为纳米量米量级，，轴向尺寸向尺寸为微米量微米量级、管子两端根本上、管子两端根本上都封口〕的一都封口〕的一维量子量子资料。

它主要由呈六料它主要由呈六边形形陈列的碳列的碳原子构成数原子构成数层到数十到数十层的同的同轴圆管层与与层之之间坚持固定的持固定的间隔，隔，约0.34nm，直径普通，直径普通为2~20nm碳纳米管不米管不总是笔直的，而是部分区域出是笔直的，而是部分区域出现凸凹景象，凸凹景象，这是是由于在六由于在六边形形编织过程中出程中出现了五了五边形和七形和七边形除六边形外，五形外，五边形和七形和七边形在碳形在碳纳米管中也扮演重要角色米管中也扮演重要角色当六边形逐渐延伸出现五边形时，由于张力的关系而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假设五边形正好出如今碳纳米管的顶端，导致纳米管凸出假设五边形正好出如今碳纳米管的顶端，即构成碳纳米管的封口当出现七边形时，纳米管那么凹进即构成碳纳米管的封口当出现七边形时，纳米管那么凹进两根毗邻的碳纳米管不是直接粘在一同的，而是坚持一定两根毗邻的碳纳米管不是直接粘在一同的，而是坚持一定间隔，间隔，RuffRuff等用等用Jarrel-AshJarrel-Ash扫描显微光度计准确丈量了两根非扫描显微光度计准确丈量了两根非常接近的碳纳米管间的间隔常接近的碳纳米管间的间隔。

由石墨烯片层构造纳米碳管的表示图 二、制二、制 备备1 1、电弧法、电弧法 在一真空反响室内充有一定量的缓冲气体，两根石墨电极棒在一真空反响室内充有一定量的缓冲气体，两根石墨电极棒垂直相对独一的区别是制备单壁纳米碳管时要在电极中掺垂直相对独一的区别是制备单壁纳米碳管时要在电极中掺加金属催化剂催化剂及缓冲气体种类、分压的选择等是电加金属催化剂催化剂及缓冲气体种类、分压的选择等是电弧法制备单壁纳米碳管的关键，将直接影响到产物的产量、弧法制备单壁纳米碳管的关键，将直接影响到产物的产量、质量及形貌特征质量及形貌特征电弧法制弧法制备纳米碳管的安装表示米碳管的安装表示图   (a)阴极，〔阴极，〔b〕反响室，〔〕反响室，〔c〕阳极〕阳极电弧法作为被广泛用于单壁纳米碳控制备的一种方法，其电弧法作为被广泛用于单壁纳米碳控制备的一种方法，其优点是设备比较简单，产量较大缺陷是产物中含有较多优点是设备比较简单，产量较大缺陷是产物中含有较多的催化剂、无定形炭等杂质，需求进一步的系统提纯；另外的催化剂、无定形炭等杂质，需求进一步的系统提纯；另外纳米碳管的生长是在远离平衡形状下进展的，这不利于对其纳米碳管的生长是在远离平衡形状下进展的，这不利于对其生长条件的直接调控和生长机理的探求，而且比较难于控制生长条件的直接调控和生长机理的探求，而且比较难于控制电弧的放电过程，本钱也比较高。

电弧的放电过程，本钱也比较高 2 2、催化分解碳氢化合物、催化分解碳氢化合物目前，大量制目前，大量制备多壁多壁纳米碳管多采用催化分解碳米碳管多采用催化分解碳氢化合物化合物的方法，的方法，类似于气相生似于气相生长炭炭纤维的的过程，采用播撒程，采用播撒纳米米级催化催化剂颗粒做粒做为制制备多壁多壁纳米碳管的米碳管的““种籽〞，在高温下通种籽〞，在高温下通入碳入碳氢气体化合物，在催化气体化合物，在催化剂的作用下使碳的作用下使碳氢化合物气体化合物气体分解，得到多壁分解，得到多壁纳米碳管采用适宜的方法控制采用适宜的方法控制纳米催化米催化剂的分布的分布还可以得到多壁可以得到多壁纳米碳管米碳管阵列，列，这些些纳米碳管可以米碳管可以陈列成一定外形，从而列成一定外形，从而为它它们的运用打下良好的根底的运用打下良好的根底 催化分解碳催化分解碳氢化合物制化合物制备多壁多壁纳米碳管的所用米碳管的所用设备相相对简单，，目前其制目前其制备技技术渐臻成熟，曾臻成熟，曾经可以可以实现样品的品的较大量制大量制备，，而且曾而且曾经开开场出出现了小了小规模工模工业制制备的安装 碳碳氢化合物催化分解法制化合物催化分解法制备单壁壁纳米碳管的反响温度米碳管的反响温度仅在在1100℃1100℃左右，左右，远比比电弧法及激光蒸弧法及激光蒸发法〔法〔3000℃3000℃以上〕低，以上〕低，而且而且该方法的能量利用率高、方法的能量利用率高、设备简单，故制，故制备本本钱较低；低；该方法方法还具有具有产物物纯度高、工度高、工艺参数易于控制等参数易于控制等优点。

点        但是，也有但是，也有产率率较低而且反响气体不能反复运用等低而且反响气体不能反复运用等问题需求需求处理3 3、激光烧蚀法、激光烧蚀法激光烧蚀法采用强激光束照射石墨靶，在石墨靶部分产生高温，激光烧蚀法采用强激光束照射石墨靶，在石墨靶部分产生高温，使碳原子蒸发并产生构造重排激光烧蚀法是最早被用来制备使碳原子蒸发并产生构造重排激光烧蚀法是最早被用来制备C60C60的一种方法的一种方法, , 也有人利用这一方法制备多壁纳米碳管也有人利用这一方法制备多壁纳米碳管, , 但效但效果并不理想果并不理想激光烧蚀法制备单壁纳米碳管的优点是产物纯度高，易于提纯激光烧蚀法制备单壁纳米碳管的优点是产物纯度高，易于提纯缺乏之处在于设备复杂、昂贵，而且产量不大，故制备本钱较高缺乏之处在于设备复杂、昂贵，而且产量不大，故制备本钱较高激光蒸发法制备单壁纳米碳管表示图激光蒸发法制备单壁纳米碳管表示图4 4、制备纳米碳管的其它方法、制备纳米碳管的其它方法微波等离子化学蒸微波等离子化学蒸发法法   微孔模板法微孔模板法太阳能法太阳能法三、特三、特 性性•更为典型的一维〔更为典型的一维〔1D1D〕构造〕构造 •导体导体/ /半导体特性与管的闭合方式和螺旋度有亲密关系半导体特性与管的闭合方式和螺旋度有亲密关系 •无层间交互作用无层间交互作用 •更适于研讨和了解碳管电子构造和输运景象更适于研讨和了解碳管电子构造和输运景象 •超级力学性能〔钢的超级力学性能〔钢的100100倍〕倍〕 •极强的毛细或量子局域效应极强的毛细或量子局域效应 •极强的吸附性能极强的吸附性能 优良的储氢特性优良的储氢特性 四、应四、应 用用1 1、储气运用、储气运用20192019年，年，AC DillonAC Dillon等报道了单壁纳米碳管的中空管可储存等报道了单壁纳米碳管的中空管可储存和稳定氢分子，引起广泛关注，相关的实验研讨和实际计和稳定氢分子，引起广泛关注，相关的实验研讨和实际计算任务也相继展开，初步结果阐明：纳米碳管是一种很有算任务也相继展开，初步结果阐明：纳米碳管是一种很有开展出路的储氢资料。

单壁纳米碳管的吸氢过程研讨发现，开展出路的储氢资料单壁纳米碳管的吸氢过程研讨发现，氢以很大密度填充到单壁纳米碳管的管体内部以及单壁纳氢以很大密度填充到单壁纳米碳管的管体内部以及单壁纳米碳管束之间的孔隙，因此单壁纳米碳管具有极佳的储氢米碳管束之间的孔隙，因此单壁纳米碳管具有极佳的储氢才干，据推测单壁纳米碳管的储氢量可达才干，据推测单壁纳米碳管的储氢量可达1010％〔分量比〕％〔分量比〕 美国通用汽美国通用汽车公司液公司液氢为能源的燃料能源的燃料电池池概念概念车－－氢动一号一号2 2、制备纳米资料的模板、制备纳米资料的模板一维纳米中空孔道赋予了纳米碳管独特的吸附、储气和一维纳米中空孔道赋予了纳米碳管独特的吸附、储气和浸润特性根据实际计算，中空的纳米碳管具有毛细作用，浸润特性根据实际计算，中空的纳米碳管具有毛细作用，纳米碳管为模板制备其它纳米线的研讨任务以纳米碳管纳米碳管为模板制备其它纳米线的研讨任务以纳米碳管为根底，利用它的中空构造和毛细作用可制备其它纳米为根底，利用它的中空构造和毛细作用可制备其它纳米构造对纳米碳管进展构造对纳米碳管进展B B、、N N等元素掺杂已获得了一系列等元素掺杂已获得了一系列新型纳米管。

以纳米碳管为母体，经过气相反响方法可新型纳米管以纳米碳管为母体，经过气相反响方法可以制备出以制备出SiCSiC、、GeO2GeO2、、GaNGaN等多种纳米棒以及各种金属的等多种纳米棒以及各种金属的纳米线这些新的一维纳米资料的出现，必将对纳米材纳米线这些新的一维纳米资料的出现，必将对纳米材料的研讨和开展产生积极的影响料的研讨和开展产生积极的影响用多壁用多壁纳米碳控制米碳控制备的的纳米米GaN纳米米线     a 原始原始样品品 MWNT b制制备的的GaN纳米米线 　　3 3、催化剂载体、催化剂载体纳米资料比外表积大，具有特殊的电子效应和外表效应如气纳米资料比外表积大，具有特殊的电子效应和外表效应如气体经过纳米碳管的分散速度为常规催化剂颗粒的上千倍，担载体经过纳米碳管的分散速度为常规催化剂颗粒的上千倍，担载上催化剂后可极大地提高催化剂的活性和选择性，使其在加氢、上催化剂后可极大地提高催化剂的活性和选择性，使其在加氢、脱氢和择型催化等反响中具有很大的运用潜力脱氢和择型催化等反响中具有很大的运用潜力 4 4、复合资料加强相、复合资料加强相碳纳米管还有非凡的力学性质实际计算阐明，碳纳米碳纳米管还有非凡的力学性质。

实际计算阐明，碳纳米管应具有极高的强度和极大的韧性由于碳纳米管中碳管应具有极高的强度和极大的韧性由于碳纳米管中碳原子间距短、单层碳纳米管的管径小，使得构造中的缺原子间距短、单层碳纳米管的管径小，使得构造中的缺陷不易存在，因此单层碳纳米管的杨氏模量据估计可高陷不易存在，因此单层碳纳米管的杨氏模量据估计可高达达5 5太帕，其强度约为钢的太帕，其强度约为钢的100100倍，而密度却只需钢的倍，而密度却只需钢的1/61/6因此，碳纳米管被以为是强化相的终级方式，人们估计因此，碳纳米管被以为是强化相的终级方式，人们估计碳纳米管在复合资料中的运用前景将非常宽广碳纳米管在复合资料中的运用前景将非常宽广 纳米碳管的电学性质与其构造亲密相关就其导电性而言，纳米碳管的电学性质与其构造亲密相关就其导电性而言，由于纳米碳管直径和螺旋角不同，可以是金属性的，也可由于纳米碳管直径和螺旋角不同，可以是金属性的，也可以是半导体性的，甚至在同一根纳米碳管上的不同部位，以是半导体性的，甚至在同一根纳米碳管上的不同部位，由于构造的变化，也可以呈现出不同的导电性由于构造的变化，也可以呈现出不同的导电性 纳米碳管中存在大量未成对电子，但其在纳米碳管中的径纳米碳管中存在大量未成对电子，但其在纳米碳管中的径向运动却遭到限制，表现出典型的量子限域效应；而电子向运动却遭到限制，表现出典型的量子限域效应；而电子在轴向的运动不受任何限制。

因此，可以以为纳米碳管是在轴向的运动不受任何限制因此，可以以为纳米碳管是一维量子导线一维量子导线 5 5、纳米器件、纳米器件利用催化热解法胜利地制备了纳米碳管－硅纳米线，利用催化热解法胜利地制备了纳米碳管－硅纳米线，测试阐明，这种金属－半导体异质结具有二极管的整流作用测试阐明，这种金属－半导体异质结具有二极管的整流作用 当一个金属性单层纳米碳管与一个半导体性单层纳米碳管同当一个金属性单层纳米碳管与一个半导体性单层纳米碳管同轴套构而构成一个双层纳米碳管时，两个单层管仍分别坚持轴套构而构成一个双层纳米碳管时，两个单层管仍分别坚持原来的金属性和半导体性，利用这一特性可制造具有同轴结原来的金属性和半导体性，利用这一特性可制造具有同轴结构的金属－半导体器件构的金属－半导体器件 单壁纳米碳管集成电路纳米碳管构成构成的分子晶体管单壁纳米碳管为导线纳米器件多壁纳米碳管纳米器件 纳米碳管的电学性能和所处气氛有关，在不同气体气氛下，其电阻会发生改动，根据这一景象有能够把纳米碳管用作体积很小而灵敏度极高的化学传感器 纳米碳管具有优良的场发射性能，而且在空气中稳定同时具有较低任务电压和大的发射电流等优点，直径细小的纳米碳管可以用来制造极细的电子枪，在室温及低于80伏的偏置电压下，即可获得0.1～1微安的发射电流。

有望在新一代冷阴极平面显示器中得到运用 韩国三星公司采用纳米碳管作的平板显示器实物照片纳米秤纳米秤纳米齿轮纳米齿轮。