化学气相沉积法制备碳纳米管阵列的进一步研究及其应用基础研究

论文摘要

本文采用化学气相沉积（CVD）法制备碳纳米管阵列（CNTAs）。通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱、X射线衍射和热分析等对反应产物进行表征，考察了CVD法制备CNTAs反应的重复性与再现性以及石英反应管直径尺寸对制备CNTAs的影响；还考察了反应温度、溶剂对制备CNTAs的影响；初步探讨了CNTAs的生长机理。采用超声振荡方法配置CNTAs在不同分散剂中的悬浮液，考察其分散效果及稳定性，并测量其电导率随温度变化曲线。实验结果表明，采用CVD法制备CNTAs的重复性较好、再现性尚可；使用直径较小的石英反应管对CNTAs粗产物的形貌与质量的影响不显著，但可以显著地提高其收率；反应温度对CNTAs的收率、形貌及质量均有显著影响，当反应温度为850℃时，CNTAs粗产物的收率达到最大值7.0wt.%，且其形貌、质量最好；反应温度的影响决定于活性碳物种(A)与活性铁物种(C)之间的比例(I=A:C)及其与其它碳物种(B)之间的比例(II=A:B)。不同溶剂对CNTAs的形貌、质量的影响显著，分别以溶剂1和溶剂3为碳源制得的CNTAs粗产物的质量最好，以溶剂2为碳源制得的CNTAs粗产物的质量次之，以溶剂4为碳源得不到CNTAs；溶剂的影响与其生成焓、C－C键能紧密相关，但与其沸点无明显相关性。在初始生成的MWCNTs顶端的不饱和键、大量的活性碳原子以及两者之间的微电场和微磁场相互作用下，且由碳源分解产生的活性碳原子浓度能够保持在一个足够高的数值，活性碳原子以自组装方式生成MWCNTs。悬浮液的稳定性及电导率测量实验结果表明，CNTAs在蒸馏水中的分散效果极差，但在无水乙醇中的分散效果较好，且可以形成稳定性较好的悬浮液；其中CNTAs在无水乙醇中的质量百分比为0.125%、超声振荡4h得到的悬浮液的分散效果、稳定性最好，其电导率随温度升高而增加的趋势非常显著。本文研究结果对于扩大CVD法制备CNTAs的规模、推动CNTAs的应用研究，尤其是其在导电溶液领域及其它相关领域的应用研究，均具有非常重要的实际意义及一定的理论意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 碳纳米管简介
• 1.2 碳纳米管制备方法
• 1.2.1 电弧放电法
• 1.2.2 等离子体法
• 1.2.3 激光蒸发法
• 1.2.4 化学气相沉积法
• 1.3 碳纳米管生长机理
• 1.3.1 顶部生长机理
• 1.3.2 底部生长机理
• 1.4 碳纳米管阵列简介
• 1.5 碳纳米管阵列制备方法
• 1.5.1 模板法
• 1.5.2 化学气相沉积法
• 1.6 影响碳纳米管阵列生长的因素
• 1.6.1 碳源
• 1.6.2 反应温度
• 1.6.3 催化剂
• 1.6.4 气体流速
• 1.7 碳纳米管阵列生长机理
• 1.8 碳纳米管阵列的应用
• 1.8.1 场发射器件
• 1.8.2 电极材料
• 1.8.3 传感器
• 1.8.4 超级电容器
• 1.8.5 复合材料
• 1.8.6 超双疏性质
• 1.8.7 红外探测
• 1.9 模拟计算
• 1.9.1 巨正则蒙特卡罗（GCMC）模拟计算
• 1.9.2 CNTAs阴极的结构设计与屏蔽效应的模拟
• 1.9.3 多尺度量子化学方法模拟
• 1.10 安全问题
• 1.11 存在问题及发展方向
• 1.12 本课题主要研究内容及意义
• 第二章 实验
• 2.1 实验试剂
• 2.2 实验仪器
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 配置反应溶液
• 2.3.2 CVD反应
• 2.3.3 悬浮液稳定性
• 2.3.4 电导率的测定
• 2.4 反应产物表征
• 2.4.1 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.4.2 透射电子显微镜（TEM）
• 2.4.3 高分辨透射电子显微镜（HRTEM）
• 2.4.4 拉曼光谱（Raman）
• 2.4.5 X-射线衍射（XRD）
• 2.4.6 热分析（TGA-DSC）
• 第三章 CVD法制备碳纳米管阵列反应的重复性及石英反应管直径的影响
• 3.1 CVD法制备CNTAs反应的重复性
• 3.1.1 SEM表征结果与讨论
• 3.1.2 TEM表征结果与讨论
• 3.1.3 TGA-DSC表征结果与讨论
• 3.2 石英反应管直径的影响
• 3.2.1 SEM表征结果与讨论
• 3.2.2 TEM表征结果与讨论
• 3.3 XRD表征结果与讨论
• 3.4 Raman表征结果与讨论
• 3.5 小结
• 第四章 CVD法制备碳纳米管阵列反应的再现性
• 4.1 SEM表征结果与讨论
• 4.2 TEM 表征结果与讨论
• 4.3 TGA-DSC表征结果与讨论
• 4.4 XRD表征结果与讨论
• 4.5 小结
• 第五章 反应温度与溶剂的影响以及CNTAs生长机理的探讨
• 5.1 反应温度的影响
• 5.1.1 反应温度对CNTAs收率和质量的影响
• 5.1.2 反应温度对CNTAs形貌与质量的影响
• 5.1.3 关于反应温度影响的讨论
• 5.2 溶剂的影响
• 5.2.1 SEM表征结果与讨论
• 5.2.2 TEM表征结果与讨论
• 5.2.3 Raman表征结果与讨论
• 5.2.4 XRD表征结果与讨论
• 5.2.5 TGA-DSC表征结果与讨论
• 5.2.6 关于溶剂影响的讨论
• 5.3 CNTAs生长机理的探讨
• 5.4 小结
• 第六章 CNTAs悬浮液的稳定性及其电导率测量
• 6.1 CNTAs悬浮液的稳定性
• 6.2 CNTAs悬浮液的电导率测量
• 6.3 小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 附录：论文中的英文缩写与其全称及中文对照表
• 致谢