CVD制備螺旋碳納米管爭(zhēng)論背景合成方法生長(zhǎng)機(jī)理4.展望主要內(nèi)容1.爭(zhēng)論背景進(jìn)展歷史在1953年，W.Davis首次報(bào)道了螺旋碳纖維；1991年，日本S.Iijima通過高區(qū)分透射電子顯微鏡意外地覺察了碳納米管；1990s，碳納米管的覺察，特殊規(guī)形貌的碳材料(如螺旋狀和彎曲狀)的爭(zhēng)論更加受到關(guān)注；1992年，B.LDunlap和S.Ihara相繼通過理論計(jì)算、分子模擬等手段推想出螺旋構(gòu)造碳納米管的存在；1994年，X,B.Zhang首次通過試驗(yàn)觀測(cè)到螺旋碳納米管；近年來(lái)一些爭(zhēng)論小組開展了一系列基于螺旋碳納米管制備和機(jī)理的爭(zhēng)論，并開發(fā)了不同領(lǐng)域的應(yīng)用前景。1.爭(zhēng)論背景b.分類螺旋數(shù)：?jiǎn)温菪p螺旋

三螺旋螺旋形貌：

發(fā)辮型DNA螺旋型

繞曲型

圖1各種類型的螺旋碳納米管JournalofAdvancedResearch.2023,3,195.1.爭(zhēng)論背景c.獨(dú)特的性能外形特性：聚合物復(fù)合增加很高的本征振動(dòng)頻率：微質(zhì)量傳感器良好的力學(xué)機(jī)械性能：機(jī)械能存儲(chǔ)器，周密彈簧左右旋手性圖2螺旋碳納米管〔coiledcarbonnanotubes,CCNTs〕2合成方法石墨電弧法：在惰性氣體氣氛中，通過電弧放電將石墨電極加熱到3000℃以上，從陰極物質(zhì)中收集得到螺旋碳納米管的方法。優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)造完整、無(wú)缺陷；缺點(diǎn)：雜質(zhì)多，產(chǎn)量低。激光蒸發(fā)法：激光蒸發(fā)法是指在石墨靶中參與催化劑顆粒，將石墨靶放入加熱爐中，在惰性氣體疼惜下，當(dāng)爐溫高于1200℃時(shí)，用激光束轟擊石墨靶外表，在催化劑的作用下生長(zhǎng)成螺旋碳納米管的過程。優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量較好，無(wú)需純化處理；缺點(diǎn)：產(chǎn)量低。2合成方法化學(xué)氣相沉積法(CVD):化學(xué)氣相沉積法是以有機(jī)氣體為碳源，過度金屬顆粒為催化劑，在600-1200℃溫度范圍內(nèi)催化裂解含碳?xì)怏w合成螺旋碳納米管。優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)量更高，最為常用，爭(zhēng)論最多方法；缺點(diǎn)：對(duì)催化劑的制備要求高。2.合成方法催化劑的制備方案1：結(jié)晶法醋酸鈷飽和溶液60℃攪拌催化劑晶粒CaCO3載體0℃水浴Coacetate/CaCO3過濾枯燥NH3氣氛Coacetate/CaCO3(750℃)Coacetate/CaCO3過濾枯燥，750℃過濾枯燥2.合成方法催化劑的制備方案2：浸漬法CaCO3載體13X沸石載體硅膠載體醋酸鈷溶液Coacetate/CaCO3Coacetate/13X沸石Coacetate/硅膠懸濁液堿性溶液調(diào)整pH=8-9浸漬浸漬浸漬2.合成方法催化劑的制備方案3：球磨法醋酸鈷乙酰丙酮鐵硝酸鐵硝酸鈷CaCO313X沸石Coacetate/CaCO3Fe-Coacetate/CaCO3Conitrate/CaCO3Fe-Conitrate/CaCO3Coacetate/13X沸石Fe-Coacetate/13X沸石Conitrate/13X沸石Fe-Conitrate/13X沸石Coacetate/13X沸石Fe-Coacetate/13X沸石Fe-Conitrate/13X沸石催化劑球磨NH3氣氛處理2.合成方法b.螺旋碳納米管的合成圖3CVD制備螺旋碳納米管的試驗(yàn)裝置720℃載氣，N2：500sccm碳源，C2H2:10sccm催化劑反響30min影響主要包括三方面：1.催化劑的制備方法的影響；2.不同離子的催化劑影響；3.不同催化劑基底的影響；2.合成方法c.催化劑的影響催化劑/基底制備方法碳的產(chǎn)量螺旋形成Coacetate/CaCO3結(jié)晶0.0000無(wú)Coacetate/CaCO3浸漬0.3258有Coacetate/CaCO3球磨0.1236無(wú)表1不同制備方法制備螺旋碳納米管2.合成方法催化劑/基底制備方法碳的產(chǎn)量螺旋形成Coacetate/CaCO3球磨0.1236無(wú)Fe-Coacetate/CaCO3球磨0.4559無(wú)Conitrate/CaCO3球磨0.5882無(wú)Fe-Conitrate/CaCO3球磨1.8124有表2不同離子的催化劑制備螺旋碳納米管2.合成方法催化劑/基底制備方法碳的產(chǎn)量螺旋形成Coacetate/CaCO3浸漬0.5126有Coacetate/13X浸漬0.3258有Coacetate/silicagel浸漬0.2479有表3不同催化基底制備螺旋碳納米管2.合成方法Fig.1.在浸漬法制備Coacetate/13X催化劑上生長(zhǎng)的碳納米管的TEM圖像Fig.2.在球磨法制備Coacetate/13X催化劑上生長(zhǎng)的碳納米管的TEM圖像2.合成方法Fig.3.在球磨法并通過氨氣氣氛處理制備Fe-Coacetate/13X催化劑上生長(zhǎng)的碳納米管的TEM圖像Fig.4.在球磨法并通過氨氣氣氛處理制備Fe-Conitrate/13X催化劑上生長(zhǎng)的碳納米管的TEM圖像2.合成方法比利時(shí)A.Fonseca等人提出了keen構(gòu)造的概念。keen構(gòu)造的形成在于石墨層六元環(huán)構(gòu)造中嵌入了五邊形和七邊形，五邊形和七邊形的消逝使得石墨層的生長(zhǎng)方向發(fā)生轉(zhuǎn)變，就像人的膝蓋發(fā)生彎曲一樣，所以稱之為keen構(gòu)造。如圖4所示，一個(gè)五邊形連接在凸點(diǎn)和一個(gè)七邊形連接在凹點(diǎn)，形成一個(gè)轉(zhuǎn)折。圖4keen構(gòu)造的形成3.生長(zhǎng)機(jī)理Carbon1995;33:1759–75.隨著五邊形和七邊形周期性的并入到六邊形的碳納米管框架中，五邊形在外側(cè)，七邊形在內(nèi)側(cè)，使得螺旋和環(huán)形得以產(chǎn)生。如圖5所示。圖5嵌有五邊形和七邊形的螺旋碳納米管模型Carbon1995;33:931–93.生長(zhǎng)機(jī)理3.生長(zhǎng)機(jī)理圖6形成碳七元環(huán)和碳五元環(huán)的C2插入機(jī)制示意圖ChemistryOfMaterials.2023,15(16):3170-3175如圖6所示,當(dāng)碳源氣體受熱裂解時(shí),形成一種碳原子的二聚體C2,C2攻擊、破壞碳六元環(huán)構(gòu)造,并插入到碳層中,一個(gè)C2的插入可以形成兩個(gè)碳七元環(huán)和兩個(gè)碳五元環(huán),之后新產(chǎn)生C2構(gòu)造連續(xù)攻擊碳七元環(huán)、碳五元環(huán)以及局部構(gòu)造不穩(wěn)定的碳六元環(huán),隨著C2構(gòu)造的不斷插入,原來(lái)的碳片層漸漸發(fā)生彎曲,最終形成螺旋狀構(gòu)造。4.展望1，對(duì)于螺旋碳納米管的形貌準(zhǔn)確把握；產(chǎn)量不夠大2，環(huán)狀，鏈狀碳納米管的爭(zhēng)論參考文獻(xiàn)[1]S.Iijima:Nature,354,56(1991).[2]DóraFejes,ZoltánNémethandKláraHernádi*..Vol.96,No.2,397?404(2023)[3]FlorianNitze,EdyAbou-Hamad,ThomasWa?gberg.CARBON49(2023)1101–1107[4]FonsecaA,HernadiK,NagyJB,LambinPh,LucasA.Carbon1995;33:1759–75.[5]IharaS,ItohS.Carbon1995;33:931–9[6]H.Hou,Z.Jun,F.Weller,etal.ChemistryofMaterials.2023,15(16):3170-3175.[7]AhmedShaikjeea,b,NeilJ.Coville.JournalofAdvancedResearch(2023)3,195–223[8]JianXian,ManJian