采用浮动法和阳极氧化铝模板辅助CVD法制备碳纳米管研究

论文摘要

碳纳米管以其完美的一维纳米结构、优异的力、热、光、电性能和在纳米电子学和光电子学、纳米医学和药物传输、传感器、高强度复合材料、场发射器件和超级电容器等领域广泛的应用前景一直受到大家的高度关注。在近二十年对碳纳米管的制备、性能、应用的研究中,人们虽已取得较深入全面的成果,但目前大批量定向单壁碳纳米管的制备对研究者仍然是一个挑战,且针对碳纳米管的定向生长组装和应用仍有很多有待解决的问题。本文采用浮动催化法这一被认为在大批量制备碳纳米管上最具优势的方法,以乙醇为碳源,分别研究了二茂铁、二茂钴、二者的二元体系、硝酸铁和硝酸钴等催化剂、气氛、硫元素和水的添加对制备碳纳米管的影响。研究发现在以乙醇为碳源的体系中,制备碳纳米管时二元体系催化剂是较优的选择,硫元素的合适引入不但对二茂铁作催化剂时碳纳米管的合成有提高质量和增加产量的作用而且对二茂钴和二元体系催化体系亦有此明显的增产、提质的作用,原因可能是硫元素能活化铁催化剂和钴催化剂的活性;水的引入可以降低在制备单壁碳纳米管时对氢气的依赖且相应增加产量。为了得到高度定向的碳纳米管阵列及其对其进行有效的组装,本文采用阳极氧化铝模板(AAO)辅助CVD法,以乙烯和乙炔为碳源,利用AAO的自催化作用制备了高度定向的碳纳米管阵列,通过对不同温度和不同反应时间制备出碳纳米管的形貌表征,探讨了碳纳米管的生长机理并提出了一种可能的生长模式。利用电化学沉积法在恒压0.4V—0.3V之间得到沉积速率在200nm/min的银纳米线,随之结合CVD法控制合成碳纳米管,从而制备组装了Ag/CNT异质结阵列体系,以期通过这种异质结构降低碳纳米管在超级电容器和场发射应用中和集电极之间较高的连接阻抗,使其优异的性能得到展现。由于制备的银纳米线在高温下弥散在AAO孔道中,得到了具有特殊结构缺陷的碳纳米管并浅析其生长机理。这种结构的出现,可能为碳管的应用研究提供一些新的素材。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 碳纳米管的发现
• 1.2 碳纳米管的结构和分类
• 1.3 碳纳米管的特性
• 1.3.1 力学性能
• 1.3.2 热学性能
• 1.3.3 光学性能
• 1.3.4 电学性能
• 1.4 碳纳米管的主要制备方法
• 1.4.1 电弧法
• 1.4.2 激光蒸发法
• 1.4.3 化学气相沉积法
• 1.5 课题意义和研究目的和内容
• 第二章 浮动法制备碳纳米管研究
• 2.1 引言
• 2.2 浮动 CVD法制备碳纳米管
• 2.2.1 实验材料及仪器
• 2.2.2 实验过程
• 2.2.3 表征分析方法
• 2.3 若干因素对产物的影响分析研究
• 2.3.1 催化剂
• 2.3.2 添加物
• 2.3.3 气氛
• 2.4 小结
• 第三章 阳极氧化铝模板辅助 CVD法制备碳纳米管及其异质结研究
• 3.1 引言
• 3.2 AAO辅助 CVD法制备定向CNTs阵列
• 3.2.1 AAO的制备
• 3.2.2 定向CNTs阵列的制备
• 3.2.3 不同温度下制备 CNTs的比较
• 3.2.4 相同温度不同时间制备 CNTs的比较
• 3.2.5 阳极氧化铝模板自催化制备 CNTs的机理分析
• 3.3 用电化学沉积法在 AAO中制备银纳米线
• 3.3.1 实验过程
• 3.3.2 结果表征与分析
• 3.4 银/碳纳米管异质结的制备
• 3.4.1 实验流程
• 3.4.2 Ag/CNT异质结构表征和分析
• 3.5 特殊结构的碳纳米管
• 3.5.1 特殊结构碳纳米管形成及表征
• 3.5.2 形成原因浅析
• 3.6 本章小结
• 第四章 总结与展望
• 4.1 总结
• 4.2 展望
• 参考文献
• 硕士期间撰写的学术论文
• 致谢