碳納米管制備方法綜述

碳納米材料主講：星空大神~PPT

納米材料被譽(yù)為21世紀(jì)的重要材料，而作為新型納米材料的碳納米材料因其本身所擁有的潛在優(yōu)越性，在化學(xué)、物理學(xué)及材料學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，成為全球科學(xué)界各級科研人員爭相關(guān)注的焦點(diǎn)。

近年來發(fā)展建立起來的碳納米材料制備方法也多種多樣，可大致歸為以下幾種：石墨電弧法、化學(xué)氣相沉積法、激光蒸發(fā)法、熱解聚合物法、火焰法、離子輻射法、電解法、原位合成法、模板法等。碳納米材料的制備方法石墨電弧法激光蒸發(fā)法催化裂解法化學(xué)氣相沉積法模板法水熱法凝聚相電解生成法石墨電弧法

石墨電弧法是最早用于制備納米碳管的工藝方法。后經(jīng)過優(yōu)化工藝，每次可制得克量級的納米碳管。此法是在真空反應(yīng)室中充惰性氣體或氫氣。采用較粗大的石墨棒為陰極，細(xì)石墨棒為陽極，在電弧放電的過程中陽極石墨棒不斷的被消耗。同時(shí)在石墨陰極上沉積出含有納米碳管的產(chǎn)物。采用此法合成納米碳管時(shí)。工藝參數(shù)的改變?nèi)绺鼡Q陰極材料或改變惰性氣體都將大大影響納米碳管的產(chǎn)率。除此之外。改變在陽極組成或直徑、或在石墨極中添加Y2O3等也有很好的效果。激光蒸發(fā)法

1996年Smalley等首次使用激光蒸發(fā)法實(shí)現(xiàn)了單壁納米碳管的批量制備。他們采用類似的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。通過激光蒸發(fā)過渡金屬與石墨的復(fù)合材料棒制備出多壁納米碳管。激光蒸發(fā)設(shè)備同簡單單壁納米碳管合成設(shè)備類似，在1200℃的電阻爐中，由激光束蒸發(fā)石墨靶。流動(dòng)的氬氣使產(chǎn)物沉積到水冷銅柱上。

一般來說，納米碳管要比相應(yīng)的球狀富勒碳穩(wěn)定性差一些。所以要在一定的外加條件下才能生成，例如強(qiáng)電場、催化劑金屬顆粒、氫原子或者低溫表面，以使其端開口而有利于生長。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多壁納米碳管是激光蒸發(fā)環(huán)境中純碳蒸氣的固有產(chǎn)物。在納米碳管生長過程中。端部層與層的邊緣碳原子可以成鍵。從而避免端部的封口。這是促使多壁納米碳管生長的一個(gè)重要的內(nèi)在因素。但此法制備納米碳管的成本較高。難以推廣應(yīng)用。催化裂解法

催化裂解法是在6oo～1000oC的溫度及催化劑的作用下，使含碳?xì)怏w原料(如一氧化碳、甲烷、乙烯、丙稀和苯等1分解來制備碳納米管的一種方法。此方法在較高溫度下使含碳化合物裂解為碳原子。碳原子在過渡金屬一催化劑作用下。附著在催化劑微粒表面上形成為碳納管。

催化裂解法是在6oo～1000oC的溫度及催化劑的作用下，使含碳?xì)怏w原料(如一氧化碳、甲烷、乙烯、丙稀和苯等1分解來制備碳納米管的一種方法。此方法在較高溫度下使含碳化合物裂解為碳原子。碳原子在過渡金屬一催化劑作用下。附著在催化劑微粒表面上形成為碳納管?；瘜W(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法(ChemicalVaporDeposition。簡稱CVD)?；驹頌楹?xì)怏w流經(jīng)催化劑表面時(shí)分解。沉積生成納米碳管。這種方法具有制備條件可控、容易批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。自發(fā)現(xiàn)以來受到極大關(guān)注，成為納米碳管的主要合成方法之一。常用的碳源氣體有CH4、C2H、C2H、C6H和CO等。最早用25％鐵，石墨顆粒作為催化劑。常壓下700℃時(shí)9％乙炔，氮?dú)庵频眉{米碳管。

我國科學(xué)家以甲烷為碳源。采用鎳基催化劑，制備了管徑15～20nnl的均勻納米碳管。我國科學(xué)家采用溶膠一凝膠、超臨界干燥法制備AI20氣凝膠負(fù)載鈷催化劑，并將此催化劑用于納米碳管的制備，得到了直徑為8～10nm左右的納米碳管。模板法

模板法是合成碳納米管等一維納米材料的一項(xiàng)有效技術(shù)，它具有良好的可控制性，利用它的空間限制作用和模板劑的調(diào)試作用對合成碳納米管的大小、形貌、結(jié)構(gòu)、排布等進(jìn)行控制。模板法通常是用孔徑為納米級到微米級的多孔材料作為模板。結(jié)合電化學(xué)、沉淀法、溶膠一凝膠法和氣相沉淀法等技術(shù)使物質(zhì)原子或離子沉淀在模板的孔壁上形成所需的納米結(jié)構(gòu)體。水熱法

水熱法是一種制備方法較為簡單的工藝.在前人的研究中以硝酸鎳和正硅酸乙酷為原料。通過水熱晶化法和常壓干燥法均可合成納米級氧化鎳——二氧化硅復(fù)合粉體催化劑。用這兩種催化劑均可制得碳納米管水熱晶化法合成的催化劑粉體顆粒粒徑小、分散性好、催化活性高，使得所制得的碳納米管管徑小、分布窄、純度和收率都高。該方法的主要特點(diǎn)是大大降低了制備納米碳管的反應(yīng)溫度。凝聚相電解生成法

此法是最近出現(xiàn)的一種電化學(xué)合成碳納米管的方法。該方法采用石墨電極(電解槽為陽極)，在約600℃的溫度及空氣或氫氣等保護(hù)性氣氛中。以一定的電壓和電流電解熔融的鹵化堿鹽(如LiCI)，電解生成了形式多樣的碳納米材料。包括包裹或未包裹的碳納米管和碳納米顆粒等。通過改變電解的工藝條件可以控制生成碳納米材料的形式。

現(xiàn)在對碳納米管的制備研究較多。但碳納米管的制備方法和制備工藝中仍存在許多問題有待解決。例如，某些制備方法得到的碳納米管生長機(jī)理還不明確，影響碳納米管