碳纳米管的制备及最新研究成果 - 中国粉体网

2018-04-06 21:01:48 admin 0

中国粉体网讯  碳纳米管(CNTs)是1991年被发现的一种新式碳结构,可以看成是由石墨烯片层卷成的无缝、中空管体。碳纳米管自从被报道以来,引起了学术界及工业界的广泛关注和兴趣。


碳纳米管一般可以分为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管,如下图


 图片关键词

(a)单壁碳纳米管   (b)双壁碳纳米管   (c)多壁碳纳米管

不同层数碳纳米管结构示意图

碳纳米管的性能


(1)力学性能

碳纳米管最为突出的特性是其优异的力学性能,主要表现在强度、刚度、韧性等方面。


(2)热学性能

碳纳米管拥有准一维导热性。


(3)电化学性能

碳纳米管其独特的结构特点导致其具有优异的导电能力,它不单单可以呈现出半导体的特性,而且可以呈现出导体性,乃至金属性等特征。


(4)光学性能

碳纳米管具有不同于常规晶态与非晶态的光学特性,既包含线性光学性质,又具有非线性光学性质,其中碳纳米管的非线性光学性质已被广泛研究。


(5)磁学性能

碳在常温下是一种抗磁性物质,但不同情况下碳纳米管却表现出不一样的磁性能。


碳纳米管的制备


(1)电弧放电法

电弧放电法是以真空腔内的石墨棒作为阴阳极,以惰性气体或者氢气作为保护气体,接着通入直流电流,这样会使石墨极间产生电弧放电效应,在这个放电的过程中,放电反应会使阳极石墨棒慢慢减少,从而可以在其阴极产生碳纳米管。


 图片关键词

电弧法制备碳纳米管的装置图

优点:


产生碳纳米管的速率快;

实验过程中所需要的工艺参数设定简单;

生长得到的碳纳米管管直以及结晶度良好。


缺点:


电弧法来生长的碳纳米管的温度要求较高,生长碳纳米管所需的设备十分复杂,并且生长出来的碳纳米管有比较明显的缺陷。容易和生长过程中催生出来的副产物,比如无定型碳、石墨颗粒、富勒烯等杂质烧结于一体,不利于分离和提纯。

制备成本较高。不利于规模化、工业化生产。


(2)化学气相沉积法


化学气相沉积法是一种大规模生产碳纳米管的最简单的方法。

化学气相沉积法的生产原理含碳气体(一般气体为CH4)在高温和催化剂的作用下产生碳原子,并形成碳纳米管。


 图片关键词

电化学法制备碳纳米管的装置图

优点:


易于控制,管长,产率高,纯度高,而且通过催化剂颗粒的尺寸来控制碳纳米管的尺寸,生产成本低,适用性强。


缺点:


化学气相沉积法制备出来的碳纳米管长度长,并且直径不均匀;石墨化度低,拉伸强度小于通过电弧放电制备的碳纳米管强度。


(3)激光蒸发法


激光蒸发法是基于石墨电弧法发展出来的一种制备方法。

原理是在催化环境下,通过高能量密度的激光照射石墨耙,在这个过程中石墨会产生气态碳,进而在撞击的过程中形成碳纳米管。

 图片关键词

激光蒸发法制备碳纳米管的装置图

优点:


SWCNTs的产率随着激光脉冲时间间隔的缩短而增加,并且单壁碳纳米管的管径也可由调节激光脉冲的功率控制。


缺点:


制备碳纳米管的纯度较低、生产效率低、产物容易发生缠结,并且生产经费昂贵。


(4)催化裂解法


在600~1000℃的温度及催化剂作用下,使含碳化合物裂解为碳原子,然后在过渡金属-催化剂作用下,附着在催化剂微粒表面上形成为碳纳米管。

 图片关键词

除此之外还包含热解聚合物法、固相热解法等方法。


研究进展


根据其形貌差异,碳纳米管可分为聚团状碳纳米管、垂直阵列状碳纳米管及水平阵列状碳纳米管三种类型。相比于前两种类型,水平阵列状碳纳米管具有完美结构、超低缺陷程度、厘米级以上长度及优异理化性能。


目前,实现水平阵列状碳纳米管的结构可控制备及性能调控是近近十几年来碳纳米管研究领域的热点和难点。另外,国内外一些先进学者也在碳纳米管制备上进行更多研究。


(1)Feldman等人利用电解碱金属卤化物的方法制备了直径为30~50nm的多壁纳米碳管。


(2)南加州煤气公司(SoCalGas)也在去年宣布,公司正与一支研发团队开展合作,采用了一款新工艺,将天然气转化为氢气、碳纤维及碳纳米管。该合作旨在采用新催化剂,研发先进的甲烷重整工艺,用于制造碳纳米管。


新催化剂系统将促进碳纳米管成型的“基底生长”而非“顶端生长”。基底生长成形可实现催化剂的再生,并创建一款纯度较高的结晶碳产品。此外,可优化反应条件,调整碳纳米管的直径及长度。

 图片关键词


(3)清华大学的魏飞教授团队在水平阵列状碳纳米管的生长机理、结构可控制备、性能表征以及应用探索等方面开展了大量的研究,并取得一系列重要突破。


目前,该团队已经制备出单根长度达到半米以上的碳纳米管,此类超长碳纳米管具有完美的结构和优异的性能。另外,其团队首次发现宏观尺度超润滑现象,并实现单根碳纳米管宏观尺度光学可视化及可控操纵。

 图片关键词

水平阵列状碳纳米管的结构可控制备