CVD法制备碳纳米管的TG-DTA研究--温度对CVD法制备碳纳米管的影响

基于碳纳米管粗产品中无定形碳和不同直径碳纳米管对氧的反应活性的差异,通过差热-热重(TG-DTA)方法,结合透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)的测试结果,研究了合成温度对以乙炔气体为碳源,用CVD法制备碳纳米管的石墨化程度、碳纳米管直径以及直径分布的影响.结果表明:反应中,由于催化剂Co/SiO2中活性组分(Co)微晶随合成温度的升高而增大,导致所制备的碳纳米管的直径增大,从20～30 nm(650℃)增加到30～50nm(750℃).碳纳米管的石墨化程度随着反应温度的升高而增加.XRD实验结果还表明,当合成温度从650℃增加到850℃时,2θ值从25.8°增加到26.8°,(002)晶面的层间距从3.45 A减小到3.32 A,即随着合成温度的升高,碳纳米管(002)晶面的层间距减小.通过DTA放热峰的峰温和半峰宽的分析得出,无定形碳的放热峰峰温Tp＜380℃,其含量随着温度的升高而减小.碳纳米管的DTA放热峰的峰温Tp随着碳纳米管的直径和石墨化的程度的增加而升高,半峰宽随着碳纳米管的直径的分布范围增大而增宽.低温(650℃)有利于生成直径小且均匀的多层碳纳米管(20～30nm),而高温(大于750℃)则有利于生成直径大的多层碳纳米管(大于30～50 nm).     

单根(7,5)蛇形单壁碳纳米管的拉曼光谱(英文)

研究了单根(7,5)蛇形单壁碳纳米管的拉曼光谱特征,观察到了环呼吸振动峰(RBM)、环呼吸振动的倍频峰(2RBM)、介于中间频率的振动峰(IMF)、无规振动峰(D)、剪切振动峰(G)、中间频率振动峰(M)、剪切振动和环呼吸振动的和频峰(G+RBM)、面内横向光学声子和纵向声学声子的和频峰(iTOLA)、无规振动的二次共振峰(G′或者2D)以及其它一些归属不清楚的拉曼峰.不同激发波长和不同激发偏振拉曼光谱研究表明,这些拉曼光谱峰显示出了非常强的激发能量和激发偏振的选择性.     

单壁纳米碳管的纯化及表征

利用微孔膜及空气氧化法逐步除去电弧放电法制备的单壁纳米碳管(SWCNTs)中的金属催化剂粒子、碳纳米粒子、无定形碳等杂质,并利用热重分析（TGA）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）及拉曼（Raman）光谱,对每一步得到的产物进行分析表征.实验证明,该方法对单壁纳米碳管的纯化是比较有效的,可以得到纯度在90％以上的单壁纳米碳管.     

单壁纳米碳管的纯化研究

A purification method to remove the metal catalysts and impurity carbon materials from arc-discharge-grown single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) has been developed. Microporous membrane and the oxidation in the air for the crude SWCNTs were used to eliminate the coexisting metal catalysts nanoparticles，carbon nanoparticles and amorphous carbon. Then we used the high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) to characterize the crude SWCNTs prepared by arc-discharge method and the purified SWCNTs. The Raman spectra and the thermogravimetric analysis (TGA) were also utilized to analyze the approach of our purification for SWCNTs. With this method the SWCNTs with the purity more than 95% could be obtained.     

电弧放电法制备石墨烯的硝酸改性及其电化学性能增强

采用电弧放电法大规模制备了层数少, 导电率高, 结晶性好的石墨烯纳米片(GNSs). 通过扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)表征发现制得的石墨烯形貌良好. 然而电化学测试表明GNSs作为电极材料的电容性能不好. 为了增加材料表面电化学反应活性点, 促进GNSs在水系电解液中的润湿性, 我们对所制备的GNSs表面进行了硝酸改性处理. 结果显示硝酸处理后的石墨烯纳米片(H-GNSs)表面新增了较多的含氧氮官能团,其亲水性得到了显著提高. 对H-GNSs的电化学研究表明: 硝酸改性处理后的GNSs在2 mol·L^-1 KOH溶液中电流密度为0.5 A·g^-1时, 比电容可达65.5 F·g^-1, 约为改性前的30 倍; 此外, H-GNSs作为电极材料连续进行2000次充放电测试后还展示出了良好的循环稳定性, 是一种潜在的超级电容器电极材料.     

定位生长法制备AFM单壁碳纳米管针尖

采用粘性胶状物作为生长单壁碳纳米管(SWNTs)的催化剂前驱体, 在原子力显微镜下驱动废旧的硅探针粘附该种胶状物,随后进行化学气相沉积(CVD), 实现了SWNTs在硅探针末端的定位生长, 成功地制备出了SWNT针尖. 对SWNTs及SWNT 针尖进行了表征, 并对针尖的稳定成像条件进行了分析. 结果表明, 针尖一般由5-10 nm 的SWNT 管束构成, 伸出长度仅为几百纳米, 受热振动影响较小, 无需后处理即可稳定地成像, 成像分辨率与新的硅探针相当.     

CVD法制备单壁碳纳米管的纯化与表征

针对CVD法合成的单壁碳纳米管的特点提出了较为有效的纯化方法，并对纯化后碳管的存在形式进行了表征.结果表明,CVD法制备的单壁碳纳米管中所含的载体和催化剂绝大部分可以通过盐酸除去.在表面活性剂溶液中超声分散碳纳米管,可以使管与无定形碳及石墨状碎片进行有效的剥离.空气加热氧化法和稀硝酸回流法可有效地去除碳杂质,稀硝酸回流可以在纯化的同时对管的末端及侧壁进行功能化.     

氢气辅助的水中埋弧法制备小直径碳纳米管

用改进的石墨电弧放电方法制备了小直径、高质量的碳纳米管,以水为打弧介质,氢气为保护气体.该方法具有装置简单,电流小,无催化剂,制备出的多壁碳纳米管直径小于10 nm等优点.     

单壁碳纳米管短管的制备

分别通过控制CVD生长时间的方法和在混合的硝酸硫酸中超声氧化碳纳米管的化学剪裁法制备了单壁碳纳米管短管.两种方法都能将大多数碳纳米管的长度控制在500 nm以下.拉曼光谱结果表明: 在化学剪裁过程中,单壁碳纳米管部分被破坏产生无定形碳杂质;用控制CVD反应时间得到的单壁碳纳米管短管样品比长时间反应得到的长管样品杂质少,且不存在后处理时碳纳米管的破损问题,其纯度比化学剪裁法得到的产品纯度高.     

琼脂糖凝胶电泳法分离金属性和半导体性单壁碳纳米管

琼脂糖凝胶电泳(AGE)是实现金属性单壁碳纳米管(m-SWCNTs)和半导体性单壁碳纳米管(s-SWCNTs)低成本、规模化分离的有效技术之一。本研究利用琼脂糖凝胶电泳分离单壁碳纳米管。通过紫外-可见-近红外吸收光谱和拉曼光谱对色谱带进行分段表征,发现电泳中迁移的最快的部分m-SWCNTs含量最高。考察了琼脂糖的浓度对SWCNTs中m-SWCNTs分离的影响。结果表明:高的琼脂糖浓度有利于m-SWC-NTs的富集,可以通过扩大电荷密度带来的迁移速率的差异来使SWCNTs中的m-SWCNTs得到更有效的分离。     

单壁碳纳米管的CVD合成及管径分布

甲烷在以活性氧化铝为载体的Fe、Co、Ni、Ru等催化剂上于850 ℃分解并生成直径为0.8～5 nm的单壁碳纳米管.预先将催化剂在1100 ℃焙烧,能够减少产物中无定形碳的生成.拉曼光谱结果表明,由该法制备的碳纳米管的管径分布主要受温度的影响,较低温度有利于较小直径的单壁碳纳米管的生成和较好的管径选择性.     

不同银膜粒径对单壁碳纳米管SERS谱的影响

利用化学沉积法和溶胶法制备了粒径在20～100nm范围内不同的表面增强纳米结构活性银膜,系统地研究了单壁碳纳米管（SWCNT）的表面增强拉曼光谱（SERS）的G—band和D—band、比较玻璃和石英两种不同基片上的结果发现,单壁碳管的SERS谱随银膜粒径的变化有相同的变化趋势,G-band峰移对20～100nm范围内活性银膜粒径的差异不敏感,表明该波段所对应的碳管六元环本征振动比较稳定,与界面的化学相互作用较弱．D—band的峰形随基片和活性银膜粒径不同均有改变,且随着粒径变小,高频振动贡献有增大的趋势,表明无序碳与活性银膜间存在很强的相互作用。     

单一导电属性及手性单壁碳纳米管的分离技术

综述了基于生长后处理策略下单一导电属性及手性单壁碳纳米管(SWCNTs)分离技术的研究进展, 阐述了SWCNTs 的选择性分离原理, 并比较了不同分离技术在分离纯度、效率、成本以及可规模化等方面的优缺点, 为SWCNTs 分离技术的发展及应用提供了方向性指导.     

Analysis of Single-Walled Carbon Nanotubes Using a Chemical Bond Element Model

A three dimensional nano-scale finite element model (FEM), called the chemical bond element model, is proposed for the simulation of mechanical properties of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) based upon molecular mechanics method. Chemical bonds between carbon atoms are modeled by chemical bond elements. The constants of a sub-stiffness matrix are determined by using a linkage between molecular mechanics and continuum mechanics. In order to evaluate the correctness and performance of the proposed model, simulation was done to determine the influence of nanotube wall thickness, radius and length on the elastic modulus (Young's modulus and shear modulus) of SWCNTs. The simulation results show that the choice of wall thickness significantly affects the Young's modulus and shear modulus. The force field constants is also very important, because the elastic modulus is sensitive to force field constants and the elastic properties of SWCNT are related to the radii of the tubes. The contribution of length to elastic modulus is insignificant and can be ignored. In comparison with the Young's modulus and shear modulus reported in the literature, the presented results agree very well with the corresponding theoretical results and many experimental measurements. Furthermore, if the force constants are properly chosen, the present method could be conveniently used to predict the mechanical behavior of other single-walled nanotubes such as boron nitride nanotubes. The results demonstrate the value of the proposed model as a valuable tool in the study of mechanical behaviors of carbon nanotubes and in the analysis of nanotube-based equipments.     

电场对(4, 0)Zigzag模型单壁碳纳米管的影响

The structural and electronic properties of a (4, 0) zigzag single-walled carbon nanotube (SWCNT) under parallel and transverse electric fields with strengths of 0-1.4×10~(-2) a.u. Were studied using the density functional theory (DFT) B3LYP/6-31G~* method. Results show that the properties of the SWCNT are dependent on the external electric field. The applied external electric field strongly affects the molecular dipole moments. The induced dipole moments increase linearly with increase in the electrical field intensities. This study shows that the application of parallel and transverse electric fields results in changes in the occupied and virtual molecular orbitals (Mos) but the energy gap between the highest occupied MO (HOMO) and the lowest unoccupied MO (LUMO) of this SWCNT is less sensitive to the electric field strength. The electronic spatial extent (ESE) and length of the SWCNT show small changes over the entire range of the applied electric field strengths. The natural bond orbital (NBO) electric charges on the atoms of the SWCNT show that increase in the external electric field strength increases the separation of the center of the positive and negative electric charges of the carbon nanotube.     

单壁碳纳米管在不同材质基片银膜上的表面增强拉曼光谱

在玻璃、白宝石和石英基片上,利用化学沉积法和溶胶法制备了纳米结构活性银膜,系统地研究了两种不同方法制备的单壁碳纳米管(SWNT)的表面增强拉曼光谱(SERS)的G带和D带.同一样品的G带,在不同基片上的峰移量不同,在白宝石基片上移动更大,峰强更高,可以更敏感地反映SERS效应.D带的峰形随基片不同而改变.金属性管的含量较高的样品,其D带光谱的峰移较半导体性管含量较高的样品更显著,表明金属性碳纳米管与SERS活性银膜的界面相互作用更强.     

金属基底上碳纳米管束的大面积制备

采用化学气相沉积法(CVD)，以二甲苯为碳源，二茂铁为催化剂，以沉积Al膜过渡层的不锈钢为基底，经过HF处理后，大面积合成了一种碳纳米管束状结构。使用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和拉曼光谱(Raman)对样品形貌和结构进行表征。结果显示：合成的碳纳米管束直径为15～25 μm，长度超过500 μm，每根管束由大量直径为30～80 nm的多壁碳纳米管组成，这些碳纳米管沿管束轴线方向密实排列并相互缠绕，预示着具有较强的机械强度。结合实验对其形成机制进行了初步探讨。     

大面积N-掺杂定向碳纳米管阵列的制备与表征

采用无模板的化学气相沉积(chemical vapour deposition，CVD)法，以二甲苯和乙二胺为反应物，二茂铁为催化剂，以石英玻璃为衬底，制备了大面积、垂直于石英衬底生长、掺杂N的定向碳纳米管阵列。扫描电镜检测表明制备的定向碳纳米管阵列具有很好的定向性，而且管身平直。高分辨透射电镜的检测表明制备的碳纳米管具有较好的石墨化程度和较高的纯度，首次在碳纳米管内腔中发现了原位生长的“类富勒烯”结构。拉曼光谱的检测表明制备的定向碳纳米管阵列中含有大量的单壁碳纳米管。X射线光电子能谱检测表明N原子成功地被掺进了碳纳米管中，而且N原子的百分比随着碳源中N原子浓度的增加而增加，当碳源中n_C∶n_N比为1∶1的时候，在掺杂的碳纳米管中N原子的物质的量分数可以达到2.51%。