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1、Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,碳納米管及其應(yīng)用,主要內(nèi)容,:,碳納米管的發(fā)現(xiàn),碳納米管結(jié)構(gòu),碳納米管結(jié)構(gòu)的表征,碳納米管的生產(chǎn)方法,獨(dú)特性質(zhì),應(yīng)用前景,碳納米管的發(fā)現(xiàn),C60,及富勒烯化合物,1985,年英國(guó),Sussex,大學(xué)的,Kroto,教授,和美國(guó),Slice,大學(xué)的,Smalley,教授發(fā)現(xiàn),碳納米管,（,CNTs,）,1991,年，日本科學(xué)家飯島（,Iijima,）發(fā)現(xiàn),，在,N
2、ature,發(fā)表,文章公布了他的發(fā)現(xiàn)成果，這是碳的又一同素異型體。,2.,碳納米管結(jié)構(gòu),1),按形態(tài)分,普通封口型,變徑型,洋蔥型,海膽型,竹節(jié)型,念珠型,紡錘型,螺旋型,其他異型,2),按手性分,通常依照,n,，,m,的相對(duì)關(guān)系，將單壁碳納米管分為,achiral,和,chiral,兩個(gè)基本類型。,Achiral,型又分為,zigzag,（鋸齒型）和,armchair,（扶手椅型）兩類。當(dāng),n,和,m,其中之一為,0,時(shí)，為,zigzag,型；當(dāng),n=m,時(shí)為,armchair,型；其它所有情況都稱為,chiral,型,(,手性管）。,Armchair,(n,m)=(5,5),Zigzag,
3、(n,m)=(9,0),3),按照石墨烯片的層數(shù)，可分為：,單壁碳納米管,（,Single-walled,nanotubes,SWNTs,）：,由一層石墨烯片組成。單壁管典型的直徑和長(zhǎng)度分別為,0.75,3nm,和,1,50m,。又稱富勒管,(Fullerenes tubes),。,2),多壁碳納米管,（,Multi-walled,nanotubes,MWNTs,）：,含有多層石墨烯片。形狀象個(gè)同軸電纜。其層數(shù)從,2,50,不等，層間距為,0.34,0.01nm,，與石墨層間距,(0.34nm),相當(dāng)。多壁管的典型直徑和長(zhǎng)度分別為,2,30nm,和,0.1,50m,。,掃描隧道顯微鏡,X,射線
4、衍射,孔結(jié)構(gòu)及比表面積,電子衍射,拉曼光譜,3.,納米管結(jié)構(gòu)的表征：,4.,碳納米管的生產(chǎn)方法簡(jiǎn)介,石墨電弧法,浮動(dòng)催化法,（即碳?xì)浠衔锎呋纸夥?，又稱,CVD,法）,激光蒸汽法,燃燒火焰法,基本原理：,電弧室充惰性氣體保護(hù)，兩石墨棒電極靠近，拉起電弧，再拉開(kāi)，以保持電弧穩(wěn)定。放電過(guò)程中陽(yáng)極溫度相對(duì)陰極較高，所以陽(yáng)極石墨棒不斷被消耗，同時(shí)在石墨陰極上沉積出含有碳納米管的產(chǎn)物。,理想的工藝條件：氦氣為載氣，氣壓,6050Pa,，電流,60A,100A,，電壓,19V,25 V,，電極間距,1 mm,4mm,，產(chǎn)率,50,。,Iijima,等生產(chǎn)出了半徑約,1 nm,的單層碳管。,石墨電弧法,燃
5、燒火焰法,利用液體（乙醇、甲醇等）、氣體（乙炔、乙烯、甲烷等）和固體（煤炭、木炭）等產(chǎn)生火焰分解其碳,-,氫化合物獲得游歷碳原子，為合成碳納米管提供碳源；然后將基板材料做適當(dāng)處理，最后將基板的一面向下，面向火焰放入火焰中，燃燒一段時(shí)間后取出?；迳系淖睾郑ê冢┥仁翘技{米管或碳納米纖維。,產(chǎn)生碳納米管或碳納米纖維的過(guò)程主要決定于基板的性質(zhì)。基板的選擇和處理、燃料的選擇等是本方法的關(guān)鍵技術(shù)。,優(yōu)點(diǎn)有：合成過(guò)程無(wú)需真空、保護(hù)氣氛；無(wú)需催化劑；可以在大的表面上合成，特別適合于在一個(gè)平面上形成一層均勻的碳納米管或碳納米纖維薄膜；,成本較低，對(duì)環(huán)境的污染也非常小?？梢詫?shí)現(xiàn)大批量合成。,碳納米管的獨(dú)特性質(zhì)
6、,1),力學(xué)性能,碳納米管的抗拉強(qiáng)度達(dá)到,50,200GPa,是鋼的,100,倍,密度卻只有鋼的,1/6,，至少比常規(guī)石墨纖維高一個(gè)數(shù)量級(jí)。它是最強(qiáng)的纖維，在強(qiáng)度與重量之比方面，這種纖維是最理想的。,2),電學(xué)性能,由于碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，所以具有很好的電學(xué)性能。理論預(yù)測(cè)其導(dǎo)電性能取決于其管徑和管壁的螺旋角。當(dāng),CNTs,的管徑大于,6mm,時(shí)，導(dǎo)電性能下降；當(dāng)管徑小于,6mm,時(shí)，,CNTs,可以被看成具有良好導(dǎo)電性能的一維量子導(dǎo)線。,3),熱學(xué)性能,一維管具有非常大的長(zhǎng)徑比，因而大量熱是沿著長(zhǎng)度方向傳遞的，通過(guò)合適的取向，這種管子可以合成高各向異性材料。雖然在管軸平行方向的
7、熱交換性能很高，但在其垂直方向的熱交換性能較低。納米管的橫向尺寸比多數(shù)在室溫至,150oC,電介質(zhì)的品格振動(dòng)波長(zhǎng)大一個(gè)量級(jí)，這使得彌散的納米管在散布聲子界面的形成中是有效的，同時(shí)降低了導(dǎo)熱性能。適當(dāng)排列碳納米管可得到非常高的各向異性熱傳導(dǎo)材料。,4),儲(chǔ)氫性能,碳納米管的中空結(jié)構(gòu)，以及較石墨,(0.335nm),略大的層間距,(0.343nm),，是否具有更加優(yōu)良的儲(chǔ)氫性能，也成為科學(xué)家們關(guān)注的焦點(diǎn)。,1997,年，,A.C.Dillon,對(duì)單壁碳納米管,(SWNT),的儲(chǔ)氫性能做了研究，,SWNT,在,0,時(shí),儲(chǔ)氫量達(dá)到了,5%,。,DeLuchi,指出,:,一輛燃料機(jī)車行駛,500km,消
8、耗約,31kg,的氫氣，以現(xiàn)有的油箱來(lái)推算，需要?dú)錃鈨?chǔ)存的重量和體積能量密度達(dá)到,65%,和,62kg/m3,。,這兩個(gè)結(jié)果大大增加了人們對(duì)碳納米管儲(chǔ)氫應(yīng)用前景的希望。,碳納米管的應(yīng)用前景,1),超級(jí)電容器,碳納米管比表面積大、結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好，微孔大小可通過(guò)合成工藝加以控制，是一種理想的電雙層電容器電極材料。由于碳納米管具有開(kāi)放的多孔結(jié)構(gòu)，并能在與電解質(zhì)的交界面形成雙電層，從而聚集大量電荷，功率密度可達(dá),8000W/kg,。碳納米管超級(jí)電容器是已知的最大容量的電容器。,2),鋰離子電池,碳納米管的層間距為,0.34nm,略大于石墨的層間距,0.335nm,這有利于,Li+,的嵌入與遷出,它
9、特殊的圓筒狀構(gòu)型不僅可使,Li+,從外壁和內(nèi)壁兩方面嵌入,又可防止因溶劑化,Li+,嵌入引起的石墨層剝離而造成負(fù)極材料的損壞。碳納米管摻雜石墨時(shí)可提高石墨負(fù)極的導(dǎo)電性,消除極化。,在鋰離子電池中加入碳納米管,也可有效提高電池的儲(chǔ)氫能力,從而大大提高鋰離子電池的性能。根據(jù)實(shí)驗(yàn),多壁碳納米管鋰電池放電能力達(dá)到,385,mAh/g,單壁管則高達(dá),640mAh/g,而石墨的理論放電極限為,372,mAh/g,。,3),碳納米管復(fù)合材料,基于納米碳管的優(yōu)良力學(xué)性能可將其作為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的增強(qiáng)劑。研究表明，環(huán)氧樹(shù)脂和納米碳管之間可形成數(shù)百,MPa,的界面強(qiáng)度。,除做結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的增強(qiáng)劑外，納米碳管還可做為
10、功能增強(qiáng)劑填充到聚合物中，提高其導(dǎo)電性、散熱能力等如：在共軛發(fā)光聚合物中添加納米碳管后，不但其導(dǎo)電率大大提高，強(qiáng)度也得到了改善。同時(shí)，由于納米碳管在納米尺度散熱，避免了局部形成的熱積累，可防止共軛聚合物中鏈的斷裂，從而抑制聚合物的光褪色作用。,4),電磁干擾屏蔽材料及隱形材料,碳納米管是一種有前途的理想微波吸收劑,可用于隱形材料、電磁屏蔽材料或暗室吸波材料。,碳納米管對(duì)紅外和電磁波有隱身作用的主要原因有兩點(diǎn),:,一方面由于納米微粒尺寸遠(yuǎn)小于紅外及雷達(dá)波波長(zhǎng),因此納米微粒材料對(duì)這種波的透過(guò)率比常規(guī)材料要強(qiáng)得多,這就大大減少波的反射率,使得紅外探測(cè)器和雷達(dá)接收到的反射信號(hào)變得很微弱,從而達(dá)到隱身的
11、作用,;,另一方面,納米微粒材料的比表面積比常規(guī)粗粉大,3,4,個(gè)數(shù)量級(jí),對(duì)紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多,這就使得紅外探測(cè)器及雷達(dá)得到的反射信號(hào)強(qiáng)度大大降低,因此很難發(fā)現(xiàn)被探測(cè)目標(biāo),起到了隱身作用。由于發(fā)射到該材料表面的電磁波被吸收,不產(chǎn)生反射,因此而達(dá)到隱形效果。,5),催化劑載體,納米材料比表面積大,表面原子比率大,(,約占總原子數(shù)的,50%),使體系的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)明顯改變,表現(xiàn)出特殊的電子效應(yīng)和表面效應(yīng)。如氣體通過(guò)碳納米管的擴(kuò)散速度為通過(guò)常規(guī)催化劑顆粒 的上千倍,擔(dān)載催化劑后極大提高催化劑的活性和選擇性。,碳納米管作為納米材料家族的新成員,其特殊的結(jié)構(gòu)和表面特性、優(yōu)異的儲(chǔ)氫能力和金屬及半導(dǎo)體導(dǎo)電性,使其在加氫、脫氫和擇型催化等反應(yīng)中具有很大的應(yīng)用潛力。碳納米管一旦在催化上獲得應(yīng)用,可望極大提高反應(yīng)的活性和選擇性,產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。,謝謝,!,
碳納米管及其應(yīng)用
