碳基纳米材料(碳纳米管阵列、石墨烯)的合成及其性质

摘要

碳材料在宇宙中广泛存在,其奇异的物性和多种性随人类文明的进步而逐渐被认识和利用。1991年,日本科学家Iijima利用真空电弧蒸发石墨电极,通过高分辨电镜对其产物进行研究,发现了具有纳米尺寸的碳的多层管状物,即多壁碳纳米管(MWNTs)。碳纳米管可以看成是由石墨片层卷曲而成的无缝管。碳纳米管因其尺寸小,机械强度高、比表面积大、电导率高、界面效应强等特点,在平板显示器、一维量子导线、传感器、超级电容器以及储氢材料等方面得到了广泛的应用。定向排布的碳纳米管阵列是碳纳米管的一种取向形态,其生长密度大,取向一致,可充分发挥碳纳米管沿轴向优异的导热和电荷传输性能,使其具有更为广阔的应用前景。石墨烯,是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状晶格结构碳质材料,自2004年被发现以来,已在实验科学和理论科学上受到了极大的关注。由于其具有特殊的纳米结构以及优异的性能,基于石墨烯的材料已在电子学、光学、磁学、生物医学、催化、传感器、储能等诸多领域显示出了巨大的应用潜能。
　　 在本文中,我们主要研究了两种碳纳米材料:碳纳米管和石墨烯,主要研究内容和结果,概括如下:
　　 第一章:主要介绍了碳纳米管和石墨烯的结构、基本性质和应用,碳纳米管阵列的制备方法,以及对其在纳米材料领域的相关研究工作进行了综述,并阐明了我们的选题思路和研究内容。
　　 第二章:我们发展了一种简单而有效的制备图案化碳管阵列的方法。通过溶剂蒸发法,使聚苯乙烯/二茂铁在硅片表面形成一系列聚合物/无机前驱体杂化图案,并以这些图案为模板分别制备出了条纹状、阶梯状、穿孔状、蛇纹状和鱼鳞状等不同图案的碳纳米管阵列。此外,我们利用聚苯乙烯小球的遮挡作用,制备出了较高长度的柱状和蜂窝状碳纳米管阵列。同时,采用扫描电镜、透射电镜、光电子能谱、热重和原子力显微镜等手段对产物进行了充分的表征,并对形成机理进行了讨论。
　　 第三章,通过化学气相沉积法(CVD)制备出了毫米级的碳纳米管阵列,并采用原位灌注的方法,在不改变阵列结构的同时,合成了碳纳米管阵列.树脂复合材料,并检测出复合材料导热、导电的各向异性。
　　 第四章,以多孔镍为模板,制备出三维结构石墨烯,进一步制备出三维石墨烯-树脂复合材料,很大程度地提高了高分子树脂的导电导热性能。同时,我们实现了石墨烯生长过程的原位拉曼检测。此外,介绍了石墨烯纳米材料的制备及其在锂硫电极上的应用。采用强酸氧化、快速热膨胀氢气还原的方法制备了石墨烯纳米材料,并以其为导电载体,制备出高容量、长循环寿命、高倍率的硫.石墨烯复合正极材料。