火焰热解法合成碳纳米管阵列的实验方法研究

摘要

碳纳米管(CNTs)因其所具有的优异电学、机械、化学等性能，在场发射、储氢和纳米电子器件等诸多领域展现出了诱人的应用前景。定向生长的碳纳米管阵列是碳纳米管的一种取向形态，这种形态具有生长密度大，排列整齐的特点，因而比杂乱无章、相互缠绕的碳纳米管利用价值更高，特别是在作为阴极场发射材料方面，碳纳米管阵列具有独特的优越性质。 早期通过实验方法制备碳纳米管阵列主要采用制备后处理的方式，随着技术的进步，在反应过程中施加诱导因素制备定向生长的碳纳米管已成为主流。目前较成熟的制备碳纳米管阵列的方法操作均较繁琐，成本亦相对较高。本课题组之前应用的V型体火焰法，在静电场作用下制得了形态较理想的碳纳米管阵列，探索了低成本、连续制备碳纳米管阵列的新方法。此外，本实验小组发现火焰热解法是一种简单，高效的碳纳米管合成方法。与V型体火焰法比较，其产物质量更优。这主要是因为火焰热解法中碳纳米管生长的无氧环境及Fe/Mo/Al2O3载体催化剂的优良催化作用。 本文在分析总结本课题组前期合成定向碳纳米管阵列的各种方法，在此基础上，通过实验研究，对原有火焰热解法的实验方法进行改进，探索如何实现在V型体热解腔中合成定向生长的碳纳米管阵列。实验重点改进了热解火焰温度测量法和Fe/Mo/Al2O3涂覆方法，成功制得了碳纳米管阵列。其产物性状比静电场作用下的V型体火焰法制得碳纳米管阵列有明显改善。以火焰热解法为基础，又通过静电场诱导改进了制备过程，生成了更优质的碳纳米管阵列。其中在施加静电场的火焰热解法中主要考察了偏置电压及取样设备选择的对产物质量影响。通过静电场的诱导作用，碳纳米管能够沿着电场线方向定向生长，取样设备形状对制备碳纳米管阵列产生一定影响。文中分别讨论了碳纳米管阵列在未施加静电场和施加静电场后的生长机理。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 碳纳米管简介

1．3 碳纳米管阵列制备的研究现状

1．3．1 碳纳米管阵列的制备及存在问题

1．3．1 多孔硅法

1．3．2 薄膜辅助CVD法

1．3．3 浮游催化化学气相沉积

1．3．4 施加电场制备碳纳米管阵列

1．4 本课题研究的内容

1．5 本章小结

第2章 实验系统的设计及实验方法

2．1 实验系统结构及特点

2．1．1 实验系统构成

2．1．2 火焰热解反应器

2．1．3 取样设备及气体质量流量控制器

2．1．4 热电偶测温系统

2．1．5 实验系统的特点

2．2 实验原料的选取及分析

2．2．1 气体原料的选取及分析

2．2．2 催化剂制备原料

2．3 催化剂的制备及实验方法

2．3．1 Fe／Mo／Al2O3载体催化剂的制备

2．3．2 火焰热解法实验方法

2．4 本章小结

第3章 Fe／Mo／Al2O3催化剂火焰热解法制备碳纳米管阵列及结果分析

3．1 火焰热解法实验装置分析及实验过程改进

3．2 纳米材料表征技术

3．2．1 SEM表征

3．2．2 TEM表征

3．3 实验结果及分析

3．4 火焰热解法中碳纳米管阵列生长原理

3．5 本章小结

第4章 施加静电场对火焰热解法制备碳纳米管阵列的影响

4．1 火焰热解法中施加静电场的方法

4．2 实验结果及分析

4．3 不同产物承接方式对碳纳米管阵列制备的影响

4．4 静电场诱导下碳纳米管阵列生长原理

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

攻读硕士学位期间参加的科研工作

致谢