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定向碳纳米管阵列的低压制备及其应用研究

作　者: 宋海燕
导　师: 何品刚；方禹之
学　校: 华东师范大学
专　业: 分析化学
关键词: 定向碳纳米管阵列化学气相沉积低压高温裂解修饰电极电催化氧化
分类号: O613.71
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

1991年，日本科学家Iijima利用真空电弧蒸发石墨电极，通过高分辨电镜对其产物进行研究，发现了具有纳米尺寸的碳的多层管状物，即多壁碳纳米管（MWNTs）。该发现立即得到了物理界、化学界和材料科学界以及高新技术产业部门的广泛关注，在科学界掀起了继C₆₀后又一次研究高潮。因其尺寸小、机械强度高、比表面积大、电导率高、界面效应强等特点，在平板显示器、一维量子导线、传感器、超级电容器以及储氢材料等方面得到了广泛的应用。碳纳米管独特的原子结构使其表现出金属或半导体特性，利用这种独特的电子特性，可以将碳纳米管制成电极。碳纳米管的表面效应，即直径小、表面能高、原子配位不足，使其表面原子活性高，易与周围的其它物质发生电子传递作用，在电催化和电分析化学领域中具有广阔的应用前景。定向直立碳纳米管（ACNT）是碳管的一种取向形态，其生长密度大，相互之间的分离性好，比杂乱无章排列并烧结在一起的碳管更易分散和应用。以石英玻璃为基底根据制备方法的不同，碳纳米管的定向生长可以分为模板法和自组织生长法，模板法一般采用氧化铝等多孔材料，通过模板的限制作用，使碳纳米管只能按照一定的方向生长。自组织定向生长法通过控制催化剂在基底上的分布，从而获得碳纳米管的自组织定向生长，具有方法简单，可以批量制备等优点，是目前制备定向碳纳米管的热点，而如何获得具有排列一致且长度和直径可控，高质量的碳管则是定向阵列化碳纳米管制备及应用中的关键问题。本论文以酞菁铁为制备原料，利用其裂解可以同时提供碳源和催化剂，在低压条件下，采用化学气相沉积法在石英基底上成功地制备出优质的直立碳纳米管，有效地降低了实验成本，提高了原料的利用率和碳纳米管的纯度，并利用其独特的性质，将这种大面积的定向碳纳米管阵列应用于电化学生物传感器的设计中，为实际样品提供了一种快速、灵敏、准确的检测方法。论文分为三章：第一章绪论首先介绍了碳纳米管的结构和性质，以及定向碳纳米管阵列的独特性质。接着介绍了定向碳纳米管阵列的制备方法和生长机理，着重介绍了采用化学气相沉积法制备碳纳米管的分类及机理。最后介绍了碳纳米管在传感器、电极材料以及场发射显示器件等方面的应用。第二章低压下酞菁裂解法制备定向碳纳米管阵列本章介绍了在低压条件下采用酞菁铁高温裂解法，在750～1000℃，以石英玻璃为基底，制备大面积高度定向的碳纳米管的方法。该法制备的碳纳米管平均长度20μm，管径40～70nm，为竹节状结构的多壁碳纳米管。实验研究了不同制备参数以及不同基底对定向碳纳米管生长的影响，并对生长机理进行了探讨。通过对该碳纳米管进行场发射测试，发现开启电压仅为0.67 V·μm^-1（I=1μA），阈值电压为2.5V·μm^-1，具有良好的场发射性能。第三章硫堇／定向直立碳纳米管修饰电极电化学催化氧化法测定亚硝酸盐本章介绍了将硫堇修饰的定向碳纳米管制备成微电极，在酸性缓冲溶液中研究亚硝酸根在该电极上的电化学氧化行为。此电极对亚硝酸根的氧化表现出很好的电化学催化特性。文中对硫堇一定向碳纳米管修饰电极电化学催化氧化亚硝酸盐的机理进行了探讨。用差分脉冲伏安法（DPV）测定其氧化峰电流与亚硝酸钠浓度在3.0×10^-6～5.0×10^-4M范围内呈现良好的线性关系，检出限为1.12×10^-6M。将该修饰电极用于实际样品中亚硝酸盐的测定，结果令人满意。

全文目录

宋海燕硕士学位论文答辩委员会成员名单  5-6
中文摘要  6-8
Abstract  8-13
第一章绪论  13-42
  1 定向碳纳米管的独特性质  13-18
    1.1 碳纳米管的结构  13-14
    1.2 碳纳米管的性质  14-17
    1.3 定向碳纳米管阵列的独特性质  17-18
  2 定向碳纳米管阵列的制备方法及生长机理  18-29
    2.1 定向碳纳米管阵列的制备方法  18-24
    2.2 定向碳纳米管阵列的生长机理  24-29
  3 碳纳米管的应用  29-36
    3.1 碳纳米管在传感器中的应用  29-32
    3.2 碳纳米管在电极材料中的应用  32-34
    3.3 碳纳米管在场发射显示器中的应用  34
    3.4 碳纳米管在其他方面的应用  34-36
  4 本论文的目的和意义  36-37
  参考文献  37-42
第二章低压下酞菁裂解法制备定向碳纳米管阵列  42-66
  1 引言  42-43
  2 试剂与仪器  43
  3 实验部分  43-46
  4 结果与讨论  46-64
    4.1 定向碳纳米管阵列的形态及结构分析  46-47
    4.2 不同参数对定向碳纳米管生长的影响  47-54
    4.3 定向碳纳米管阵列在不同基底上的生长情况  54-58
    4.4 酞菁铁原料掺杂其它粉末对碳纳米管生长的影响  58-60
    4.5 酞菁铁裂解制备定向碳纳米管的机理分析  60-62
    4.6 定向碳纳米管阵列的场发射性质  62-64
  5 结论  64
  参考文献  64-66
第三章硫堇/定向直立碳纳米管修饰电极电化学催化氧化法测定亚硝酸盐  66-78
  1 引言  66-67
  2 试剂与仪器  67-68
  3 实验部分  68-69
  4 结果与讨论  69-76
    4.1 硫堇—定向碳纳米管修饰电极的表征  69-71
    4.2 硫堇—定向碳纳米管修饰电极对亚硝酸盐的电催化氧化  71-72
    4.3 定向碳纳米管上不同硫堇的修饰量对检测的影响  72-73
    4.4 不同缓冲溶液的影响及其pH值的选择  73-74
    4.5 硫堇—定向碳纳米管修饰电极的灵敏度  74-75
    4.6 干扰实验  75
    4.7 样品分析  75-76
  5 结论  76
  参考文献  76-78
在硕士研究生期间发表和待发表的论文  78-79
致谢  79

定向碳纳米管阵列的低压制备及其应用研究

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