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碳納米管材料制備技術研究現狀 |
來源:中國粉體技術網 更新時間:2014-07-24 10:57:43 瀏覽次數: |
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碳納米管是由單層或多層石墨片繞中心按一定角度卷曲而成的無縫、中空納米管(原子排列結構見圖1) 。按照所含石墨片層數的不同,碳納米管可以分成單壁碳納米管(Single—walled nanotubes,SWNTs)和多壁碳納米管(Multi—walled nanotubes,MWNTs)。其中,SWNTs由一層石墨片組成;MWNTs由多層石墨片組成,形狀與同軸電纜相似。
碳納米管因其小尺寸效應和獨特的分子結構,具有優異的物理化學性能。一維分子材料和六邊形完美連接結構使碳納米管具有質量輕、強度高的特點;較大長徑比及sp2、sp3雜化幾率不同使碳納米管具有優良的彈性;直徑、螺旋角以及層間作用力等存在的差異使碳納米管兼具導體和半導體的特性;獨特的螺旋狀分子結構使碳納米管構筑的吸波材料具有比一般吸收材料高得多的吸收率。此外,碳納米管還具有獨特的光學性能,良好的熱傳導性,極高的耐酸、堿性和熱穩定性。
1、碳納米管的制備
1.1電弧法
石墨電弧法是最早的、最典型的碳納米管合成方法。其原理為電弧室充惰性氣體保護,兩石墨棒電極靠近,拉起電弧,再拉開,以保持電弧穩定。放電過程中陽極溫度相對陰極較高,所以陽極石墨棒不斷被消耗,同時在石墨陰極上沉積出含有碳納米管的產物。這種方法具有簡單快速的特點,碳納米管能夠最大程度地石墨化,管缺陷少。但存在的缺點是:電弧放電劇烈,難以控制進程和產物,合成物中有碳納米顆粒、無定形炭或石墨碎片等雜質,雜質很難分離。
1.2催化裂解法
催化裂解法亦稱為化學氣相沉積法,通過烴類或含碳氧化物在催化劑的催化下裂解而成。其基本原理為將有機氣體(如乙炔、乙烯等)混以一定比例的氮氣作為壓制氣體,通入事先除去氧的石英管中,在一定的溫度下,在催化劑表面裂解形成碳源,碳源通過催化劑擴散,在催化劑后表面長出碳納米管,同時推著小的催化劑顆粒前移。直到催化劑顆粒全部被石墨層包覆,碳納米管生長結束。該方法的優點是:反應過程易于控制,設備簡單,原料成本低,可大規模生產,產率高等。缺點是:反應溫度低,碳納米管層數多,石墨化程度較差,存在較多的結晶缺陷,對碳納米管的力學性能及物理化學性能會有不良的影響。
1.3離子或激光蒸發法
1996年,諾貝爾化學獎獲得者之一的Smally研究小組首次利用激光蒸發法合成了納米碳管。此后,激光蒸發法成為制備單壁碳納米管的有效方法之一。此法在氬氣氣流中,用雙脈沖激光蒸發含有Fe/Ni(或Co/Ni)的碳靶方法制備出直徑分布范罔在0.81—1.51 nm的單壁碳納米管。該法制備的碳納米管純度達70%~90%,基本不需要純化,但其設備復雜、能耗大、投資成本高。
1.4其他合成方法
近幾年來,科研工作者在改進傳統制備技術的同時,探索和研究出了一系列新型碳納米管的制備技術,其中有水熱法、火焰法、超臨界流體技術、水中電弧法、固相熱解法、太陽能法等。在碳納米管產業化進程中,日本和美國一直處于領先的位置。目前,中國的碳納米管生產技術在國際上也具有一定的優勢,清華大學和中科院等科研院所已具備一定規?;a的條件。
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