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化学气相沉积法制备分枝状碳纳米管及其复合材料的研究

作　者: 周永生
导　师: 许并社
学　校: 太原理工大学
专　业: 材料学
关键词: 碳纳米管 二甲硫醚 分枝状碳纳米管 导电性能
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


碳纳米管由于其独特的物理化学性能和潜在应用价值,引起了科学界广泛关注。本文研究了以二甲硫醚为碳源,以Co/MgO为催化剂,采用化学气相沉积法制备碳纳米管的方法;探究各种实验参数,如反应温度、气体流量等因素对碳纳米管生长过程的影响;系统地研究了分枝状碳纳米管的形核及生长机制,实现了分枝状碳纳米管的可控制备;研究了二甲硫醚的浓度对Co9S8纳米线填充碳纳米管产物的形貌和结构的影响以及填充机理,发现了工艺简单、反应可控性较好的Co9S8纳米线填充碳纳米管的制备方法。主要研究结果如下:1.采用催化裂解二甲硫醚制备了碳纳米管,实验发现产物对温度很敏感,通过对比实验发现合适的反应温度为1000°C;二甲硫醚蒸汽的浓度和流量对产物的产量和形貌也有很大影响,当二甲硫醚的浓度很高时,大量的碳原子覆盖在催化剂的表面,导致催化剂的活性降低,此时产物为很短的碳纳米管或碳纳米纤维,且其石墨化程度很低,而当二甲硫醚的浓度较低时,产物比较少且石墨化程度也很低。碳纳米管生长的最佳二甲硫醚浓度范围为:3.36-5.48%。二甲硫醚流量较大时有大量分枝状碳纳米管生成,这些分枝状碳纳米管有很长的分支,在纳米器件领域有很大的应用潜力,而当二甲硫醚流量较小时,产物较少。对分枝状碳纳米管的生长机理也进行了研究,并提出了一个简单的生长模型。2.采用化学气相沉积法制备出了碳纳米管及Y形碳纳米管产物,碳纳米管直径分布在3070nm范围内,其中Y形碳纳米管外径约为6070nm,内径约为3040nm。通过SEM、TEM、Raman、XRD对产品的形态与结构进行表征分析,结果显示所制得碳纳米管石墨化程度比较高,产品纯度也较高。对单根Y形碳纳米管的三个分支的导电性能进行了测试,结果表明所测试的Y形碳纳米管具有类似于金属性的导电性能。3.制得了Co9S8纳米线填充碳纳米管,影响Co9S8纳米线填充碳纳米管的关键因素为二甲硫醚的浓度,二甲硫醚不但提供碳源,也提供Co9S8填充碳纳米管过程中必不可少的硫源。实现Co9S8纳米线填充碳纳米管的二甲硫醚最佳浓度范围为1.26%-1.47%。当二甲硫醚的浓度高于1.47%时,产物中有Y形碳纳米管生成;二甲硫醚浓度低于1.26%时,产物为中空的短碳纳米管。Co9S8纳米线填充碳纳米管的生长机制为“催化剂原位转变诱导碳纳米管填充”。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第一章 绪论  11-27
  1.1 前言  11
  1.2 碳纳米管的发现、结构、制备及其性能与应用  11-19
    1.2.1 碳纳米管的发现  11-13
    1.2.2 碳纳米管结构  13-15
    1.2.3 碳纳米管的制备  15-16
      1.2.3.1 直流电弧法  15
      1.2.3.2 化学气相沉积法  15-16
      1.2.3.3 激光蒸发法  16
      1.2.3.4 电解碱金属卤化物法  16
      1.2.3.5 水热/溶剂热晶化法  16
    1.2.4 碳纳米管的性能与应用  16-19
      1.2.4.1 碳纳米管的性能  16-18
      1.2.4.2 碳纳米管的应用  18-19
  1.3 本论文的选题思路与研究目的  19-22
    1.3.1 选题思路  19-21
    1.3.2 研究目的  21-22
  参考文献  22-27
第二章 实验部分  27-31
  2.1 实验材料及设备仪器  27-28
    2.1.1 实验材料  27
    2.1.2 实验设备  27-28
    2.1.3 分析仪器  28
  2.2 实验方法  28-30
    2.2.1 实验装置示意图  28-29
    2.2.2 催化剂的制备  29-30
  2.3 表征和性能测试  30-31
    2.3.1 扫描电镜表征  30
    2.3.2 透射电镜表征  30
    2.3.3 拉曼光谱表征  30
    2.3.4 X 射线衍射表征  30
    2.3.5 导电性能表征  30-31
第三章 分枝状碳纳米管的制备  31-48
  3.1 前言  31
  3.2 实验  31-33
    3.2.1 催化剂的制备  31-32
    3.2.2 碳纳米管的制备  32-33
      3.2.2.1 实验步骤  32-33
      3.2.2.2 产碳率  33
    3.2.3 微观形貌分析  33
  3.3 结果与讨论  33-44
    3.3.1 温度的影响  33-35
    3.3.2 氩气流量的影响  35-36
    3.3.3 基底的影响  36-38
    3.3.4 氢气（二甲硫醚）流量的影响  38-39
    3.3.5 内部形貌分析  39-41
    3.3.6 分枝状碳纳米管的形成机理  41-44
  3.4 本章小结  44-46
  参考文献  46-48
第四章 Y 形碳纳米管性能研究  48-56
  4.1 前言  48
  4.2 实验  48-49
    4.2.1 催化剂的制备  48
    4.2.2 碳纳米管的制备  48-49
    4.2.3 碳纳米管的表征  49
  4.3 分析与讨论  49-53
    4.3.1 扫描电镜像分析  49-50
    4.3.2 微观结构分析  50-51
    4.3.3 拉曼光谱分析  51
    4.3.4 X 衍射线分析  51-52
    4.3.5 碳纳米管的导电性能分析  52-53
  4.4 本章小结  53-54
  参考文献  54-56
第五章 Co_9S_8纳米线填充碳纳米管复合材料的制备及结构  56-65
  5.1 前言  56-57
  5.2 实验  57
    5.2.1 催化剂的制备  57
    5.2.2 碳纳米管的制备  57
    5.2.3 碳纳米管的表征  57
  5.3 分析与讨论  57-62
    5.3.1 透射电镜分析  57-59
    5.3.2 X 射线分析  59-60
    5.3.3 二甲硫醚浓度的影响  60-61
    5.3.4 Co_9S_8 纳米线填充碳纳米管的机理探讨  61-62
  5.4 本章小结  62-63
  参考文献  63-65
第六章 结论、创新点及展望  65-67
  6.1 结论  65
  6.2 创新点  65-66
  6.3 展望  66-67
致谢  67-68
攻读硕士学位期间成果  68

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 特种结构材料
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