碳納米管的制備研究

秦秀蘭，黃 英，張 楊，高明明，李 倩

（1.西北工業(yè)大學(xué)，理學(xué)院，陜西西安 710072；2.西北大學(xué)現(xiàn)代學(xué)院，陜西西安 710130）

碳納米管的制備研究

秦秀蘭1，黃 英1，張 楊2，高明明2，李 倩2

（1.西北工業(yè)大學(xué)，理學(xué)院，陜西西安 710072；2.西北大學(xué)現(xiàn)代學(xué)院，陜西西安 710130）

介紹了碳納米管的研究背景、結(jié)構(gòu)特征及其應(yīng)用領(lǐng)域。重點討論了碳納米管的制備方法，即化學(xué)氣相沉積法、直流電弧法、激光蒸發(fā)法等制備方法。

碳納米管；制備；結(jié)構(gòu)特征；應(yīng)用

碳納米管是由碳元素組成，是碳原子通過sp2雜化，形成的六角環(huán)網(wǎng)狀的空間拓撲結(jié)構(gòu)。碳納米管的直徑在納米量級，而長度可達微米級至毫米級，長徑比大，是準一維的量子線。碳納米管具有密度小、比表面積大、熱化學(xué)穩(wěn)定性好、力學(xué)性能優(yōu)異、良好的電磁性能和場發(fā)射性能，已成為最具有應(yīng)用前景的低維納米結(jié)構(gòu)材料之一，在眾多領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注和研究。碳納米管不僅可以承受巨大的軸向張力，而且還可以承受巨大的徑向形變，抗拉強度達到50～200GPa，是鋼的100倍，彈性模量可達1～1.8 TPa，與金剛石的彈性模量相當，約為鋼的5倍，密度卻只有鋼的1/6。碳納米管在平行于軸線方向的熱傳導(dǎo)性與金剛石相仿，而垂直方向又非常低。多壁碳納米管層與層之間的振動耦合很弱，每一層的熱導(dǎo)率和比熱容可以單獨考慮，并具有理想的二維聲子結(jié)構(gòu)。碳納米管的電磁性能也取決于其直徑和手性，不同條件下，碳納米管可表現(xiàn)出金屬、半導(dǎo)體或超導(dǎo)體性質(zhì)[1]。

由于碳納米管具有這些獨特的性質(zhì)，使其可以用作儲氫材料、新型碳纖維材料及增強材料、超級電容器的電極材料、鋰離子電池的電極材料、場致發(fā)射材料等。本文重點討論碳納米管的制備方法。

1 碳納米管的制備

1.1 化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法是以碳氫化合物為碳源，在500～1200℃熱解成碳簇，這些碳簇在催化劑的作用下生長成碳納米管。這種方法既可制備單壁碳納米管，又可制備多壁碳納米管，獨特之處是能合成有一定直徑和長度的碳納米管陣列。此種方法產(chǎn)量大，成本低，反應(yīng)后的雜質(zhì)殘余物為氣體，可以離開反應(yīng)體系，得到的碳納米管純度高（幾乎沒有納米微粒和無定形碳），尺寸分布較均勻，產(chǎn)物的形貌和尺度控制，即通過調(diào)節(jié)原料組成和催化劑粒徑，控制最終產(chǎn)物的形貌和尺度，適合于工業(yè)上低成本大批量生長?；瘜W(xué)氣相沉積法也可結(jié)合等離子體增強技術(shù)，在不同的基體上合成排列整齊的線形碳納米管，所用的等離子體既可以由直流電源激發(fā)，也可由微波激發(fā)。該方法的缺點是：碳納米管存在結(jié)構(gòu)缺陷，易彎曲和變形，石墨化程度不高。因此，需采取一定的后處理（如高溫退火），以消除缺陷，使管變直，石墨化增強[2]。

1.2 直流電弧法

電弧法是最早用于制備碳納米管的工藝方法，制備裝置中包括一對間距為l mm的石墨電極，整個系統(tǒng)保持在氣壓約104Pa的氦氣氣氛中，放電時，兩電極間電弧放電可以形成3000℃以上的高溫，電極間產(chǎn)生的等離子體使陽極中的碳升華，形成的等離子體在石墨陰極上沉積出含有碳納米管的產(chǎn)物CNTs，在電極中摻雜過渡金屬催化劑等后可生成SWNT或DWNT。在電弧放電中，調(diào)節(jié)氣壓、電流密度、電壓、電極等關(guān)鍵參數(shù)，制備單壁和多壁碳納米管[3]。

該方法的優(yōu)點是制備碳納米管技術(shù)上比較簡單，容易產(chǎn)生制備碳納米管所需的高溫，所得碳納米管結(jié)構(gòu)規(guī)整、石墨化程度較高。該法的缺點是設(shè)備較復(fù)雜、能耗高、副產(chǎn)物較多，生成的碳納米管與C60等產(chǎn)物混雜在一起，不利于后續(xù)的純化分離[4]。

1.3 激光蒸發(fā)法

激光蒸發(fā)法的基本原理是高溫下（高于1200℃）用高能量密度的激光照射置于真空腔體內(nèi)（約80kPa）的靶體表面，將碳原子或原子團簇激發(fā)出靶的表面。在載體氣體中這些原子或原子團簇相互碰撞而生成碳納米管。該方法載體氣體一般為氫氣或氮氣[5]。

[1] Bhattacharjee Y，Bhingardive V，Biswas S，et al. Construction of a carbon fi ber based layer-by-layer（LbL）assembly – a smart approach towards effective EMI shielding[J]. Rsc Advances，2016，6.

[2] Koltai J，Mezei G，Zólyomi V，et al. Controlled isotope arrangement in 13C enriched carbon nanotubes[J]. 2016.

[3] Li J H，Li P，Xu J T，et al. Straightening Single-Walled Carbon Nanotubes by Adsorbed Rigid Poly（3-hexylthiophene）Chains via π-π Interaction[J]. 2016.

[4] 鄒春林，詹紅兵，陳建春，等.碳納米管的制備研究[J].山東陶瓷，2003，26（6）：22-24.

[5] 呂瑞濤，黃正宏，康飛宇.金屬填充碳納米管的制備研究進展[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報，2006，24（5）：772-777.

Study on Preparation of Carbon Nanotubes

Qin Xiu-lan，Huang Ying，Zhang Yang，Gao Ming-ming，Li Qian

in this paper，the research background，structural characteristics and application fields of carbon nanotubes are introduced.The preparation methods of carbon nanotubes，such as chemical vapor deposition（chemical vapour，CVD），direct current arc（ARC），laser evaporation（laser ablation）and so on，are discussed in detail，and the preparation methods of discharge are discussed.

carbon nanotubes；preparation；structural characteristics；application

TB383.1

A

1003–6490（2017）03–0079–01

2017–02–10

陜西省教育廳科研計劃項目資助（14JK2145）。

秦秀蘭（1976—），女，山西忻州人，講師，主要研究方向為能源與功能材料。