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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,Sussex,大學(xué)的,Kroto,教授,和美國,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,的相對關(guān)系，將單壁碳納米管分為,achiral,和,chiral,兩個基本類型。,Achiral,型又分為,zigzag,（鋸齒型）和,armchair,（扶手椅型）兩類。當,n,和,m,其中之一為,0,時，為,zigzag,型；當,n=m,時為,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。多壁管的典型直徑和長度分別為,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)方法簡介,石墨電弧法,浮動催化法,（即碳氫化合物催化分解法，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，兩石墨棒電極靠近，拉起電弧，再拉開，以保持電弧穩(wěn)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(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)點有：合成過程無需真空、保護氣氛；無需催化劑；可以在大的表面上合成，特別適合于在一個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，對環(huán)境的污染也非常小?？梢詫崿F(xiàn)大批量合成。,碳納米管的獨特性質(zhì)
6、,1),力學(xué)性能,碳納米管的抗拉強度達到,50,200GPa,是鋼的,100,倍,密度卻只有鋼的,1/6,，至少比常規(guī)石墨纖維高一個數(shù)量級。它是最強的纖維，在強度與重量之比方面，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)測其導(dǎo)電性能取決于其管徑和管壁的螺旋角。當,CNTs,的管徑大于,6mm,時，導(dǎo)電性能下降；當管徑小于,6mm,時，,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徑比，因而大量熱是沿著長度方向傳遞的，通過合適的取向，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)的品格振動波長大一個量級，這使得彌散的納米管在散布聲子界面的形成中是有效的，同時降低了導(dǎo)熱性能。適當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)良的儲氫性能，也成為科學(xué)家們關(guān)注的焦點。,1997,年，,A.C.Dillon,對單壁碳納米管,(SWNT),的儲氫性能做了研究，,SWNT,在,0,時,儲氫量達到了,5%,。,DeLuchi,指出,:,一輛燃料機車行駛,500km,消
8、耗約,31kg,的氫氣，以現(xiàn)有的油箱來推算，需要氫氣儲存的重量和體積能量密度達到,65%,和,62kg/m3,。,這兩個結(jié)果大大增加了人們對碳納米管儲氫應(yīng)用前景的希望。,碳納米管的應(yīng)用前景,1),超級電容器,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,8000W/kg,。碳納米管超級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極材料的損壞。碳納米管摻雜石墨時可提高石墨負極的導(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氫能力,從而大大提高鋰離子電池的性能。根據(jù)實驗,多壁碳納米管鋰電池放電能力達到,385,mAh/g,單壁管則高達,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)合材料的增強劑。研究表明，環(huán)氧樹脂和納米碳管之間可形成數(shù)百,MPa,的界面強度。,除做結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的增強劑外，納米碳管還可做為
10、功能增強劑填充到聚合物中，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，強度也得到了改善。同時，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。,碳納米管對紅外和電磁波有隱身作用的主要原因有兩點,:,一方面由于納米微粒尺寸遠小于紅外及雷達波波長,因此納米微粒材料對這種波的透過率比常規(guī)材料要強得多,這就大大減少波的反射率,使得紅外探測器和雷達接收到的反射信號變得很微弱,從而達到隱身的
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,個數(shù)量級,對紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多,這就使得紅外探測器及雷達得到的反射信號強度大大降低,因此很難發(fā)現(xiàn)被探測目標,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)。如氣體通過碳納米管的擴散速度為通過常規(guī)催化劑顆粒 的上千倍,擔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)濟效益。,謝謝,!,
碳納米管及其應(yīng)用
