新型碳纳米材料的制备、性质及应用研究

论文摘要

富勒烯和纳米碳管是1985年和1991年发现的新型碳纳米材料,因其独特的结构特点和优异的性能而引起广泛的重视,成为纳米科技中的重要分支。本文主要研究纳米碳材料富勒烯和纳米碳管的结构、合成、萃取、提纯、分离、性质及其应用。本文分为七章,在第一章中综述了碳纳米材料富勒烯和纳米碳管的结构特点、一般性质、研究方法及其应用前景,综述了国内外在富勒烯和纳米碳管的研究方面的最新进展。第二章给出了用阳极弧蒸发石墨法合成及用甲苯萃取富勒烯C60和C70的技术、并用高效液相色谱法分离C60和C70的技术,研究了影响制备C60和C70的产率的各种因素,诸如工作气体种类、弧电流大小、气压、电弧稳定性、阴阳极石墨的纯度等,得到其最佳制备条件,用自己研制的装置得到产率高达17%的制备宏观量的C60和C70。第三章研究了C60的衍生物和掺S薄膜的性质。合成了C60的内修饰衍生物La@C60、外修饰衍生物C60Br24及水溶性多羟基富勒醇C60（OH）n,并研究了它们的结构性质和质谱、红外吸收谱、核磁共振谱、高效液相色谱等波谱性质。制备了掺S的C60薄膜,并研究其电学性质,发现了其半导体特性。在第四章给出了用阳极弧等离子体蒸发内含金属催化剂（Fe,Co,Ni）的石墨棒合成单壁纳米碳管的技术及其最佳实验条件,同时用化学气相沉积法合成了纯度高、定向排列单壁纳米碳管阵列,并用TEM、SEM、TGA、XRD和Raman谱技术对所合成的纳米碳管进行了多方面的表征,表明用阳极弧等离子体法合成的纳米碳管是结构缺陷少、准直、可广泛应用于探针和纳米电子器件的优质单壁纳米碳管及其管束,但是粗产物内含大量无定型碳和金属碳化物等杂质粒子。用气相氧化法、强酸氧化法和分部提纯法对电弧放电法合成的产物进行了提纯,得到了高收率、高纯度的单壁纳米碳管。研究了催化剂种类和含量、弧电流大小、缓冲气体种类、气压等诸多因素对纳米碳管产率和质量的影响,得到最佳的制备条件。提出弧电流的磁致收缩效应是生成高质量准直单壁纳米碳管及其管束的主要原因。第五章中研究了富勒烯和纳米碳管的一般结构特点,并探讨了其形成机理。提出碳笼的稳定性与碳笼的对称性相关,对称性越高,稳定性越高,同时其产率越高的理论。理论计算了单壁纳米碳管的结构,并理论推导和数值计算了单壁纳米碳管及其管束的密度与杨氏模量随碳管直径变化的关系。第六章研究了纳米碳管复合材料,用拉伸法合成了单壁纳米碳管均匀分布并延拉伸方向定向排列的SWNT/PMMA复合材料,其电学性质和力学性质具有各向异性。含3 wt%纳米碳管的复合材料的电导率比纯PMMA提高了8个数量级,拉伸率从3500提高到5000,碳管的加入使复合材料的热学稳定性明显提高。研究了纳米碳管的定向排列技术,提出了在流速梯度场中和用拉伸法定向排列纳米碳管的技术。用阳极弧等离子体蒸发富含磁性材料粉末的石墨棒合成了碳纳米管包覆磁性纳米材

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第一章 综述
• 1.1 富勒烯科学的研究进展
• 1.1.1 富勒烯科学的兴起
• 60的物理性质'>1.1.2 C₆₀的物理性质
• 1.1.3 富勒烯衍生物的制备及富勒烯化学
• 1.1.4 富勒烯衍生物功能材料的的性能
• 1.2 纳米管的研究进展
• 1.2.1 碳纳米管的发现
• 1.2.2 碳纳米管的分类
• 1.2.3 纳米碳管的物理性质
• 1.2.4 纳米碳管的应用
• 1.3 研究内容和创新点
• 1.3.1 碳纳米材料的研究热点
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 创新点
• 参考文献
• 60、C₇₀的合成、萃取及分离'>第二章 C₆₀、C₇₀的合成、萃取及分离
• 60、C₇₀的合成、萃取及分离'>2.1 C₆₀、C₇₀的合成、萃取及分离
• 2.1.1 实验
• 60、C₇₀的装置'>2.1.1.1 合成 C₆₀、C₇₀的装置
• 60、C₇₀的萃取及提纯'>2.1.1.2 C₆₀、C₇₀的萃取及提纯
• 60、C₇₀的分离'>2.1.1.3 C₆₀、C₇₀的分离
• 2.1.2 结果与讨论
• 2.1.2.1 氦气氛中气压和弧电流对产率的影响
• 2.1.2.2 氩气氛中气压和弧电流对产率的影响
• 60、C₇₀产率的方法'>2.1.2.3 提高 C₆₀、C₇₀产率的方法
• 2.1.3 小结
• 60膜的制备'>2.2 C₆₀膜的制备
• 2.2.1 实验
• 60膜的表征'>2.2.2 C₆₀膜的表征
• 2.2.3 小结
• 参考文献
• 60衍生物和 C₆₀掺杂膜的研究'>第三章 C₆₀衍生物和 C₆₀掺杂膜的研究
• 60衍生物的制备'>3.1 水溶性多羟基 C₆₀衍生物的制备
• 3.1.1 实验
• 60衍生物的结构表征与分析'>3.1.2 水溶性 C₆₀衍生物的结构表征与分析
• 3.1.3 小结
• 60Br₂₄的高效合成'>3.2 C₆₀Br₂₄的高效合成
• 3.2.1 实验
• 3.2.2 结果与讨论
• 3.2.3 小结
• 60配合物的高效合成'>3.3 内含镧原子的 C₆₀配合物的高效合成
• 3.3.1 实验
• 3.3.2 结果与讨论
• 3.3.3 小结
• 60薄膜掺杂性能研究'>3.4 C₆₀薄膜掺杂性能研究
• 3.4.1 实验
• 3.4.2 结果与讨论
• 3.4.3 小结
• 参考文献
• 第四章 优质纳米碳管的制备和定向排列
• 4.1 准直纳米碳管的制备
• 4.1.1 实验
• 4.1.2 结果与讨论
• 4.1.3 小结
• 4.2 纳米碳管阵列的合成
• 4.2.1 实验
• 4.2.2 结果与讨论
• 4.2.3 小结
• 4.3 纳米碳管的提纯
• 4.3.1 实验
• 4.3.2 结果与讨论
• 4.3.3 小结
• 4.4 电弧等离子体合成纳米碳管的影响因素及生长机理研究
• 4.4.1 催化剂的影响
• 4.4.2 缓冲气体种类、气压的影响
• 4.4.3 弧电流强度大小的影响
• 4.4.4 碳纳米管（CNTs）生长机理探讨
• 4.5 碳纳米管的定向排列和定向生长
• 4.5.1 碳纳米管的重新定向排列
• 4.5.2 碳纳米管的定向生长
• 4.5.2.1 CVD法垂直于基底的定向生长
• 4.5.2.2 电弧放电法定向生长
• 4.5.3 小结
• 参考文献
• 第五章 布基碳笼的结构研究
• 5.1 富勒烯的结构特点及其形成机理研究
• 5.1.1 富勒烯的一般结构特点
• 5.1.2 富勒烯的形成机制和实验结果分析
• 5.1.3 小结
• 5.2 纳米碳管的结构研究
• 5.2.1 碳纳米管的结构特征
• 5.2.2 纳米碳管结构的稳定性
• 5.2.3 小结
• 5.3 碳纳米管的缺陷结构
• 5.3.1 碳纳米管的缺陷结构
• 5.3.2 小结
• 5.4 碳纳米管的分叉结构
• 5.4.1 分叉碳管的制备
• 5.4.2 分叉碳管的表征
• 5.4.3 分叉碳管的形成机理
• 5.4.4 结论
• 参考文献
• 第六章 纳米碳管复合材料研究
• 6.1 碳纳米管包覆磁性纳米材料的研究
• 6.1.1 实验
• 6.1.2 结果与讨论
• 6.1.2.1 TEM和 EDS图谱表征
• 6.1.2.2 XRD图谱表征
• 6.1.2.3 Raman图谱表征
• 6.1.2.4 电弧法合成碳纳米管内包覆磁性金属纳米粒子的机理探讨
• 6.1.3 结论
• 6.2 纳米碳管复合材料
• 6.2.1 实验
• 6.2.2 结果与讨论
• 6.2.3 小结
• 参考文献
• 第七章 今后工作展望
• 60和纳米碳管的太阳能电池的研究'>7.1 基于 C₆₀和纳米碳管的太阳能电池的研究
• 7.1.1 问题的提出
• 7.1.2 有机太阳能电池材料及结构
• 7.1.3 研究内容及研究目标
• 7.2 空间相锁定扫描电子束蚀刻技术中基准网格的研究
• 7.2.1 问题的提出
• 7.2.2 研究内容及研究目标
• 结论
• 致谢
• 附录A: 攻读博士学位期间所发表的学术论文