纳米碳管管壁层厚控制及生长机理研究

摘要

理论和实验研究表明纳米碳管具有优良的力学、电学、热学性质,纳米碳管的应用研究对纳米碳管的制备提出了越来越高的要求:生长位置、取向、导电性、管壁结构等.这些要求有些可以通过纳米碳管的后期处理达到,但从源头上解决这些问题的关键是纳米碳管的可控制备,例如对纳米碳管的螺旋度、手性和管壁厚度的控制.本文通过对催化剂的成分和结构的控制,初步实现了碳纳米管管壁厚度的可控化,系列合成单壁、双壁、三壁为主的纳米碳管,并对纳米碳管的生长机理进行了详细探讨. 本文以九水合硝酸铁(Fe(NO<,3>)<,3>·9H<,2>O)、乙醇镁(Mg(OC<,2>H<,5>)<,2>)、四水合钼酸铵((NH<,4>)<,6>Mo<,7>O<,24>·4H<,2>O)为前驱体,利用冷冻干燥法制备了不同Fe/Mo/Mg比例的纳米级催化剂.以甲烷为碳源,氢气为载气,氮气为保护气,采用热催化化学气相沉积法(CCVD)在流动气体卧式石英管内制备纳米碳管.研究发现:生长条件(a)Fe/Mo/Mg=1:0.02:13,CH<,4>/H<,2>=300/200(sccm),制备所得纳米碳管以单壁管为主;(b)Fe/Mo/Mg=1:0.1:13,CH<,4>/H<,2>=300/200(sccm),制备纳米碳管以双壁管为主;(c)Fe/Mo/Mg=1:0.5:13,CH<,4>/H<,2>=150/200(sccm),制备纳米碳管是以三壁管为主的多壁纳米碳管.随着Mo的比例增加纳米碳管的管壁层数呈增加趋势. HRTEM和Raman分析显示制备单壁管的直径在0.8-2.0nm之间,双壁纳米碳管的直径在2-4nm之间,多壁纳米碳管直径在4-6nm之间.DTA分析制备的纳米碳管空气中氧化温度分别为:单壁纳米碳管约为610℃,产率为28.8﹪;双壁纳米碳管约为640-660℃,产率为51.5﹪;多壁管约为670-725℃,产率为69.2﹪.双壁纳米碳管与单壁纳米碳管的分解温度接近. 利用XRD研究反应过程中粗产物随时间的变化发现,Mo<,2>C在催化反应过程中起到了关键作用.对不同碳源流量条件下生长碳纳米管的研究发现,碳源气体的流量也是影响纳米碳管管层的重要因素之一.综合考虑,本研究中,纳米碳管生长过程中碳源气体在催化剂表面的裂解速率和碳在催化剂内部的扩散速率是影响纳米碳管管壁厚度的主要因素.纳米碳管的生长机理为气-液-固生长机理.

目录

文摘

英文文摘

第一章文献综述

1.1纳米碳管的类型与结构

1.2纳米碳管的性能

1.2.1力学性能

1.2.2电学性能

1.2.3热学性能

1.2.4磁学性能

1.2.5储能性能

1.3纳米碳管的应用

1.4纳米碳管的制备

1.4.1电弧放电法

1.4.2激光蒸发法

1.4.3化学气相沉积法

1.5目前纳米碳管的可控制备研究

1.5.1电弧放电法生长纳米碳管的机理

1.5.2 CVD法生长纳米碳管的机理

1.6普通CVD法可控制备纳米碳管的可行性

1.6.1普通CVD法简介

1.6.2普通CVD法纳米碳管生长机理实证

1.6.3普通CVD法纳米碳管生长的影响因素

1.7本文研究目的、意义和主要内容

第二章催化剂制备及纳米碳管的生长

2.1仪器设备及化学试剂

2.1.1制备仪器

2.1.2测试仪器

2.1.3实验所用化学试剂

2.2溶胶凝胶法制备催化剂生长纳米碳管

2.2.1催化剂的制备过程

2.2.2纳米碳管的生长

2.3冷冻干燥法制备催化剂生长纳米碳管

2.3.1冷冻干燥法的基本原理

2.3.2影响冷冻干燥的因素

2.3.3催化剂制备过程

2.3.4纳米碳管的生长

2.4催化剂及纳米碳管粗产物的表征

第三章结果与讨论

3.1催化剂的表征

3.2纳米碳管粗产物的HRTEM分析

3.3纳米碳管粗产物的Raman分析

3.4纳米碳管粗产物的TGA分析

3.5纳米碳管催化剂催化过程分析

3.5.1催化剂制备方法的影响

3.5.2碳源气体流量的作用

3.5.3 Mo的作用机理分析

第四章结论与展望

4.1总结

4.2展望

参考文献：

硕士期间发表的论文

致谢