碳納米管的制備第1頁，共20頁，2023年，2月20日，星期五碳納米管制備的發(fā)展歷程1991年電弧放電法首次得到了碳納米管1996年激光蒸發(fā)法化學(xué)氣相沉積法水熱法、凝聚相電解生成法等第2頁，共20頁，2023年，2月20日，星期五碳納米管的制備微觀尺度微觀尺度上,碳納米管的生長是碳原子自組裝成一維管狀結(jié)構(gòu)的過程,即碳原子形成六元環(huán)或五七元環(huán)卷曲形成具有特定螺旋角的過程第3頁，共20頁，2023年，2月20日，星期五石墨電弧法在真空反應(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)物第4頁，共20頁，2023年，2月20日，星期五石墨電弧法的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：簡單快速的特點(diǎn),而且制得的納米碳管管直、結(jié)晶度高缺點(diǎn)：生產(chǎn)的納米碳管缺陷較多,且納米碳管燒結(jié)成束,束中還存在很多非晶碳雜質(zhì)。究其原因是電弧溫度高達(dá)3000~3700℃,形成的納米碳管被燒結(jié)于一體,造成較多的缺陷。產(chǎn)量少第5頁，共20頁，2023年，2月20日，星期五激光蒸發(fā)法利用高能量密度激光在特定的氣氛下照射含催化劑的石墨靶，激發(fā)出來的碳原子和催化劑顆粒被氣流從高溫區(qū)帶向低溫區(qū)利用高能量密度激光在特定的氣氛下照射含催化劑的石墨靶，激發(fā)出來的碳原子和催化劑顆粒被氣流從高溫區(qū)帶向低溫區(qū)。第6頁，共20頁，2023年，2月20日，星期五激光蒸發(fā)法的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：此法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,促使多壁納米碳管生長。缺點(diǎn)：制備納米碳管的成本較高,難以推廣應(yīng)用。一般多用于生產(chǎn)單壁碳納米管第7頁，共20頁，2023年，2月20日，星期五催化熱解法又叫化學(xué)氣相沉積法,含有碳的氣體流經(jīng)催化劑納米顆粒表面時(shí)分解產(chǎn)生碳原子,在催化劑表面生成碳納米管.基體法利用石墨或陶瓷等作載體,將催化劑附著于其上,高溫下通入含碳?xì)怏w使之分解并在催化劑顆粒上長出碳納米管;浮游法就是直接加熱催化劑前驅(qū)體使其成氣態(tài),同時(shí)與氣態(tài)烴一起被引入反應(yīng)室,在不同溫區(qū)各自分解,分解的催化劑原子逐漸聚集成納米級顆粒,浮游在反應(yīng)空間,分解的碳原子在催化劑顆粒上析出,形成碳納米管。第8頁，共20頁，2023年，2月20日，星期五催化熱解法的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：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。缺點(diǎn):含有許多雜質(zhì),需要進(jìn)一步純化,且碳納米管纏繞成微米級大團(tuán),還需要進(jìn)一步進(jìn)行分散處理第9頁，共20頁，2023年，2月20日，星期五碳納米管合成的工程原理宏觀尺度宏觀尺度上連續(xù)生產(chǎn)碳納米管,涉及多相催化工程、反應(yīng)工程以及應(yīng)用探索、市場開拓等復(fù)雜工程.第10頁，共20頁，2023年，2月20日，星期五碳納米管合成的工程原理催化劑設(shè)計(jì)團(tuán)聚結(jié)構(gòu)控制傳遞與反應(yīng)反應(yīng)器與過程社會(huì)與環(huán)境碳管組裝聚合調(diào)節(jié)化學(xué)反應(yīng)工程過程開發(fā)第11頁，共20頁，2023年，2月20日，星期五碳納米管合成的工程原理催化劑設(shè)計(jì)原子尺度上的碳納米管生長:包括碳納米管生長條件和生長機(jī)理、催化劑設(shè)計(jì)以及單根碳納米管的可控制備.許多碳納米管產(chǎn)品的特性,如管壁數(shù)、管徑、長度、缺陷、手性和石墨化程度等，均取決于這個(gè)尺度上的物理化學(xué)基礎(chǔ)控制.第12頁，共20頁，2023年，2月20日，星期五碳納米管合成的工程原理團(tuán)聚結(jié)構(gòu)控制介觀尺度上的碳納米管團(tuán)聚:高長徑比的納米材料生長若不形成特定的結(jié)構(gòu)相互作用,則會(huì)存在其一維結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)現(xiàn)象。高密度進(jìn)行生長時(shí),在范德華力等相互作用下,碳納米管開始聚集形成聚團(tuán)狀碳納米管、定向垂直碳納米管和水平生長的超長碳納米管等。碳納米管的聚集結(jié)構(gòu)是其原子結(jié)構(gòu)與批量制備的橋梁。第13頁，共20頁，2023年，2月20日，星期五碳納米管合成的工程原理傳遞與反應(yīng)反應(yīng)器尺度的傳遞現(xiàn)象及碳納米管的生長動(dòng)力學(xué):碳納米管生長過程包含巨大的密度、體積變化以及由此帶來的聚團(tuán)結(jié)構(gòu)、反應(yīng)與流動(dòng)狀態(tài)的變化。這種變化需要控制反應(yīng)器的溫度和濃度等核心生長條件。盡管碳納米管的生長和高分子聚合有相似之處,但是碳納米管的分子量更高,其相關(guān)的反應(yīng)傳遞特性與高分子加工顯著不同,進(jìn)而相關(guān)的傳統(tǒng)加工理念必須做出調(diào)整才能夠適應(yīng)類似碳納米管的納米材料的宏量制備。第14頁，共20頁，2023年，2月20日，星期五碳納米管的工程原理反應(yīng)器與過程宏觀尺度的過程設(shè)計(jì)與強(qiáng)化:過程尺度設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)碳納米管產(chǎn)業(yè)化最為主要的工程工作;而過程進(jìn)一步強(qiáng)化,如使用更好的加工工藝操作、設(shè)計(jì)新的催化路線以及發(fā)展經(jīng)濟(jì)型原料和進(jìn)料方式,可以有效提高過程的效率。第15頁，共20頁，2023年，2月20日，星期五碳納米管合成的工程原理社會(huì)與環(huán)境碳納米管實(shí)用化尺度涉及的環(huán)境和生態(tài)方面的考慮,以及碳納米管的包裝、運(yùn)輸、應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)化和商品化:隨著碳納米管的批量制備的增加和應(yīng)用越來越廣,普通公眾也會(huì)越來越多地接觸碳納米管及其衍生產(chǎn)品。這些產(chǎn)品不僅在性能上產(chǎn)生了社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)也可能對人體健康和生物圈的安全性帶來影響第16頁，共20頁，2023年，2月20日，星期五碳納米管的種類單壁碳納米管、多壁碳納米管、雙壁碳納米管、定向碳納米管、超順排碳納米管、水平超長碳納米管、摻雜碳納米管、螺旋碳納米管、碳納米管結(jié)及碳納米管/石墨烯雜化物第17頁，共20頁，2023年，2月20日，星期五單壁碳納米管單壁碳納米管：主要應(yīng)用于儲氫材料，添