文档介绍：电弧放电法制备纳米碳管 《新型碳材料》 16卷第一期
沈阳金属研究所
刘畅
南理工孙畅制作
纳米碳管制备方法
电弧法:在真空容器中充满一定压力的惰性气体或氢气, 以掺有催化剂(金属镍、钴、铁等) 的石墨为电极,在电弧放电的过程中阳极石墨被蒸发消耗,同时在阴极石墨上沉积碳纳米管, 从而生产出碳纳米管。
激光蒸发法:利用激光束照射至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。
热催化法:调节放置在催化剂前驱体的位置控制催化剂的挥发速度和浓度,用改变气流的方式收集纳米碳管。
太阳能法:将阳光聚焦于石墨烯样品上,使碳原子蒸发,这些谈升华后被吹到低温区,并在低温区沉积,形成纳米碳管。
重点介绍电弧放电法
以等离子电弧作为物理基础。
早在十九世纪初。人们就通过在两根石墨电极间放电而首次发现了电弧。但应用电弧技术从事炭材料研究并取得突破性进展却已是近两个世纪以后了,*10^-2MPa氩气,,管壁由2层-50层不等的碳原子层组成,直径为4nm -,产物中含有大量的富勒烯!无定形炭等杂质,碳管含量很低
电弧放电法
后来用氦气取代氩气作为缓冲气体..*10^-2MPa,。
而装置基本上与制备C60的装置差不多。
半连续氢电弧法
与传统电弧法相比,该方法具有以下特点:
,大大提高了产物的产量和质量
,实现了制备的半连续化,进一步提高了产量.
半连续氢电弧法
此段,论文没有书上介绍详细。故引用书中部分介绍。
采用大阳极小阴极。阴极是像笔一样的石墨棒,与有石墨粉和催化剂混合的阳极产生一个斜角。以氢气(图中黑点)为缓冲气。氢气可以促进催化剂的蒸发。
所谓半连续,就是由于阴阳极的位置是可以改变的,在反应中可以通过调节阴阳极的位置,倾角来控制反应进度和效率。
优点:
。,提高产量。,增加可控性。
纳米碳管的表征
碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料,可看作是由片层结构的石墨卷成的无缝中空的纳米级同轴圆柱体,两端由半个富勒烯分子封项。根据碳纳米管管壁的层数,碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管,单壁碳纳米管可看成是由单层片状石墨卷曲而成的圆柱结构,而多壁碳纳米管可理解为多个不同直径的单壁碳纳米管相互嵌套而成。
不同手性的单壁碳纳米管结构示意图
石墨烯六边网格的卷曲示意图
纳米碳管的表征
扫描电子显微镜法(SEM)-纳米碳管
双壁碳纳米管TEM图
单壁碳纳米管TEM图
透射电子显微镜法:
方法与方法的对比 (个人看法)
电弧法:最早的方法。工艺简单,速度快,成熟,可控,纳米碳管纯度较高。但是电弧温度高,容易发生烧结现象,容易引入杂质,产量不高。
激光蒸汽法:利用激光照射,可以连续工作,快!但是纯度不一定保证,而且激光实在是太耗能,而且不安全。
催化热解法:温度低,设备简单,安全,可大量制备高纯度的纳米碳管,并且也是连续工作。个人比较喜欢这个方法。因为我想不出这个方法有什么致命的缺点,可能不如电弧法效率高,但是其安全系数和产量和产品纯度足以弥补这个缺点。我认为可以用这个方法实现小规模的工业化。
太阳能法:这个方法听着就比较概念,理论家比较喜欢。对于务实的人来讲就只能呵呵了。产量低,过程复杂,花钱多。好吧...还是有优点的,环保。
意义
纳米碳管作为21世纪最有潜力的纤维已经悄然走进了人们的生活。就拿我来说,我爱打羽毛球,而我的拍子从小时候的金属制品已经变成了号称使用纳米技术的碳素球拍,的确非常好用,可以提高人的技术水平!然而对于专业或准专业运动员来说,对球拍性能的追求的无穷尽的,球拍的硬度,这决定了拍子可承受弦的张紧程度,越紧,对球的控制程度越大。04年奥运会上,羽毛球运动员的拍弦大概是30磅,而08年中国队更换李宁牌球拍,将拍弦增加值36磅以上,结果是包揽羽毛球项目所有金牌。而纳米碳管的出现显然,让36磅无法成为尽头,只是一个开端。这只是纳米碳管应用的冰山一角,以小见大,潜力不言而喻!