一种可能的单壁碳纳米管成核机制

0 引言 单壁碳纳米管是当前科学研究的热点,虽然单壁碳纳米管的制备技术已有很大的进展,但人们对其生长机制却仍然了解甚少.单壁碳纳米管可以用电弧放电(arc discharge)[1],激光熔融(laser ablation)[2]和化学气相淀积(chemical vapour deposition)[3]等方法产生,与多壁碳纳米管制备方法最大的不同点在于单壁碳纳米管的形成必须使用催化剂.     

氮掺杂(10,0)单壁碳纳米管的电子结构

利用密度泛函第一原理研究不同氮掺杂方式(10,0)单壁碳纳米管的电子结构. 当氮原子取代碳纳米管中的碳原子时, (10,0)单壁碳纳米管转变为n型半导体. 当氮原子吸附在碳纳米管表面时, (10,0)单壁碳纳米管转变为p型半导体, 同时与吸附氮原子相连碳原子的p轨道上的小部分电子被激发至d轨道上.      

碳纳米管的制备参数研究

研究了用阳极弧等离子体法高效制备单壁碳纳米管(CNTs).实验表明:催化剂种类和比例、缓冲气体种类和气压、弧电流强度等制备参数,对单壁碳纳米管的合成有较大影响.研究了这些参数对制备单壁碳纳米管的影响,并给出制备高质量单壁碳纳米管的最佳条件为氦气压6.0×104Pa,弧电流70A,催化剂比例Fe∶Co∶Ni=1∶1∶1,而且要有很好的冷却条件.     

单壁碳纳米管的制备和纯化研究

采用双金属Eu/Ni做为催化剂,用直流电弧放电法制备单壁碳纳米管(single walled carbon nanotubes, SWNTs),并对其进行了纯化处理.利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜和拉曼光谱对所得样品进行了表征.结果表明,以双金属Eu/Ni为催化剂与Y/Ni为催化剂合成的单壁碳纳米管直径分布相近,其中1.36 nm为直径的碳纳米管占多数.经纯化处理的单壁碳纳米管有较高的纯度.     

助剂种类对Co-Cr系多元催化剂制备碳纳米管的影响

为实现基于现有工业燃烧炉直接生长不同形态的碳纳米管,深入研究催化剂在火焰法制备碳纳米管中的作用机理具有重要的意义。本研究以Co为活性组分,Cr为分散剂,采用浸渍法制备催化剂,研究Fe、Ni、Mo、Zn、Zr、V、W等助剂的添加对催化剂及碳纳米管性质的影响。利用扫描电子显微镜-能谱仪(SEM-EDS)表征合成产物的形貌及含碳量,分析不同助剂对催化剂活性及碳纳米管形态的影响;运用X射线衍射仪、N2吸附脱附及氢气程序升温还原表征不同催化剂的物理及化学性质,分析助剂对催化剂性质的作用机理。结果表明：添加Fe、V或Mo的催化剂都能够形成大量的簇状碳纳米管,Zn和Zr为助剂时催化剂无法生成碳纳米管;Cr与活性金属形成混合氧化物,作为结构促进剂,起到分散活性金属的作用;助剂通过改变混合氧化物与活性金属氧化物的比例,影响催化剂的活性;Fe、V和Mo的添加使得活性金属氧化物增加,提高了催化剂的还原活性,而适量混合氧化物起到的分散作用有利于形成生长碳纳米管的催化剂颗粒,从而促进碳纳米管簇的形成。     

镍掺杂单壁碳纳米管阵列储氢的理论研究

采用巨正则蒙特卡罗方法研究常温和中等压强下镍掺杂对单壁碳纳米管阵列物理吸附储氢的影响.计算结果表明,同碱金属掺杂相比,过渡金属原子的d轨道与碳原子的p轨道之间发生的轨道杂化,能更有效地提高镍掺杂SWCNTA的储氢效果.     

北京大学化学学院超长单壁碳纳米管阵列研究取得突破性进展

硅基底上的平行超长单壁碳纳米管阵列因有望在大规模集成电路中应用而备受关注，但是目前的制备方法还存在许多问题，由于不能大批量制备大规模的高质量样品而严重制约了其性质和应用研究。近日，北京大学化学学院李彦教授课题组在数年来有关单壁碳纳米管表面生长研究的基础上，通过对生长机制的深入分析，提出创新性思路，在高质量平行超长单壁碳纳米管阵列的制备方面取得了突破性进展。     

化学镀CuNiP-碳纳米管复合材料的制备与表征

用化学镀的方法在多壁碳纳米管表面沉积Cu—Ni—P合金,制备碳纳米管复合材料．并对制备出来的复合材料进行透射电子显微镜（TEM）和X-射线衍射（XRD）表征．通过XRD对已制备的化学镀合金分析．得出沉积铜为立方面心结构而镍是非晶态．TEM观察复合碳纳米管,发现在其表面沉积有分散均匀纳米级的金属颗粒,Cu-Ni-P合金呈球形．     

喹啉催化加氢机理的量子化学研究

利用固定催化剂晶胞结构参数，用分子动力学方法全参数模拟优化了喹啉分子在具有不同硫原子缺陷的硫一钼一镍催化剂晶体表面的吸附过程，得到了反应物分子在催化剂晶体表面的最稳定吸附态，有效地判断了不同晶格催化剂对反应物吸附强弱及对反应物的活化程度。以氢、碳原子间距离为横坐标，其对应的能量值为纵坐标，建立了氢原子进攻喹啉分子的加氢坐标系及加氢反应模型，求出了反应活化能，从而判断不同催化剂晶体表面结构对催化剂活性的影响。结果表明，晶体上硫原子缺陷越多，反应物分子越易与活性中心镍原子相结合，越容易使反应物分子活化，反应所需的活化能就越小。     

热解合成Pt-Ni催化剂及对乙醇电催化氧化

不引入其他还原剂,在多壁碳纳米管(MWCNTs)和铂镍前驱体存在的条件下,采用直接热解方法,在MWCNTs表面制备出Ni掺杂的铂基催化剂(Ptx Niy/MWCNTs).通过XRD和EDX的测试证明了Pt-Ni纳米颗粒在MWCNTs表面的生成.TEM的照片表明样品颗粒的平均粒径在4~8nm.在碱性溶液中,利用CV方法测试了制备的Ptx Niy/MWCNTs催化剂对乙醇氧化的电催化行为.结果显示,Pt1Ni1/MWCNTs在所制备的催化剂中对乙醇的电化学氧化具有高的催化活性.     

氮掺杂单壁碳纳米管结构的第一原理计算

利用第一原理, 通过密度泛函理论计算掺杂氮原子的单壁碳纳米管几种可能的几何结构. 研究表明, 含氮的锯齿型单壁碳纳米管比含氮的扶手椅型单壁碳纳米管的几何结构稳定; 在富含氮的单壁碳纳米管中, 径向形变比轴向形变明显, 并讨论了掺杂氮后碳纳米管中碳氮原子间的键合情况.      

Diameter-controlled growth of aligned single-walled carbon nanotubes on quartz using molecular nanoclusters as catalyst precursors

Molecular nanoclusters containing Fe and Mo atoms have been used as catalyst precursors for the growth of single-walled carbon nanotubes (SWNTs) on stable temperature (ST)-cut quartz substrates by chemical vapor deposition. Attribute to the uniform catalyst nanoparticles and the confinement effect of the crystalline substrates, well-aligned SWNTs with narrow diameter distribution have been synthesized. Atomic force microscopy measurements show that the mean diameter of the nanotubes obtained by thermal decomposition of ethanol at 900°C is 0.76 ± 0.16 nm, which is the smallest among all reported results for aligned SWNTs. The mean diameter of the nanotubes increases with growth temperature. In addition to using identical nanoclusters as the catalyst precursors, the avoidance of annealing treatment of catalyst precursors is also a key point for obtaining SWNTs with controlled diameters. Using these identical nanoclusters as catalyst precursors and carefully tuning the growth parameters make us closer to the ultimate goal of controlling the chirality of SWNTs.     

不同过渡层和电场方向对碳纳米管或纤维生长的影响

利用等离子体增强化学气相沉积系统沉积了碳纳米管或纤维，并用扫描电子显微镜研究了它们的生长和结构．为避免碳纳米管或纤维在生长过程中从衬底Si表面上脱落，先在Si表面上溅射沉积了金属过渡层Ti或Ta，然后再沉积催化剂NiFe．结果发现Ti和Ta过渡层对碳纳米管或纤维的结构有很大的影响．另外，还发现衬底Si放在支架的不同位置，碳纳米管或纤维的生长方向不同，这可能是由于辉光放电产生的非均匀电场所致．对不同过渡层和电场方向对碳纳米管或纤维生长的影响进行了分析和讨论．     

催化裂解法制备大孔径碳纳米管

Ni-Cu-Al催化剂中加入少量碳酸钠,催化裂解甲烷制备了大孔径碳纳米管,碳纳米管的产量为2.4g/g.cat。用这种方法制备的碳纳米管的内径约为20 nm~60 nm,外径约为40 nm~80nm。用扫描电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)研究了碳纳米管的形貌和微结构。分析结果表明:用这种方法制备的碳纳米管不仅内径较大而且石墨化程度较高。碳酸钠的加入引起了甲烷转化率和碳产率的轻微下降。实验结果表明:碳酸钠是一种温和的毒物,它能影响Ni-Cu-Al催化剂的催化活性,导致大孔径碳纳米管的生成。文中还讨论了大孔径碳纳米管的生长机理。     

电弧法获得的几种奇异碳纳米管的研究

用电弧法制备碳纳管时,在阴极沉积物中,伴随大量正常的离散碳纳米管的产生,发现了孪生碳纳米管、菱形碳纳米管、“Y”形短管和碳纳米纤维等几种奇异的碳纳米形态。给出了这些奇异碳纳米管的透射电镜（TEM）照片,对它们的生长、闭合过程进行了研究,认为碳原子流、电场等因素的影响是奇异碳纳米管形成的关键,借助碳纳米管以内层为模板的开口生长模型,可以定性地理解它们的形成过程及生长机理。     

铁基多元催化剂组分对V型火焰法生长碳纳米管的影响

为了实现火焰法批量制备碳纳米管,采用自行研发的V型火焰燃烧器,深入研究催化剂组分对碳纳米管的影响,并开发新型催化剂。利用扫描电镜、能谱仪和拉曼光谱仪分析不同催化剂所得产物的形态、质量和结晶度;通过分析程序升温还原曲线和X射线光电子能谱,研究不同催化剂活性组分及助催化组分对催化剂性质的影响。结果表明:通过选择活性组分和配合组分,能够控制碳纳米管的形态和质量,开发了能够生长高密度簇状碳纳米管的三元催化剂;本实验条件下,铁作为活性组分要优于镍,少量的镍以游离态NiO存在,激活催化剂催化活性;铬不适合作为活性组分,在催化剂中起到分散剂的作用,使活性组分分散,促进簇状碳纳米管的形成;Fe~(2+)/Fe~(3+)的比例影响催化剂催化活性,Fe~(2+)/Fe~(3+)比例减小能够提高催化剂的还原性及催化活性。可见,通过深入研究不同组分的作用,进而研制新型催化剂,能够改善V型火焰法生长碳纳米管的形态及产量,为批量生产特定形态的碳纳米管提供低成本、简单易操作的有效方法。     

催化剂厚度对碳纳米管直径的影响

由于碳纳米管具有独特的结构和性能，因而自从被发现以来一直受到人们的关注。近年来，已利用各种方法成功地合成出碳纳米管，特别是利用化学气相沉积方法制备高度准直的碳纳米管。分析了该方法中催化剂厚度对碳纳米管直径的影响，利用负衬底偏压热灯丝CVD系统和不同厚度的NiFe催化剂在Si衬底上直接生长，并用扫描电子显微镜来研究碳纳米管的生长过程。结果表明催化剂颗粒封闭了碳纳米管的顶端，催化剂厚度对碳纳米管的直径有较大的影响，碳纳米管的平均直径随催化剂厚度的增大而增大。     

Decoration of activated carbon nanotubes by assembling nano-silver

A facile solution processed strategy of synthesizing nano silver assembled on carbon nanotubes (CNTs) at room temperature was put forward. Activated carbon nanotubes were used as precursors for preparing silver-decorated nanotubes. The nature of the decorated nanotubes was studied using transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX). The inert surfaces of carbon nanotubes were activated by introducing catalytic nuclei via an oxidation-sensitization-activation approach. Activated carbon nanotubes catalyzed the metal deposition specifically onto their surfaces upon immersion in electroless plating baths. The method produced nanotubes decorated with silver. The extent of silver decoration was found to be dependent on fabrication conditions. Dense nano silver assembled on nanotube surfaces could be obtained by keeping a low reaction rate in the solution phase. The results here show that this method is an efficient and simple means of achieving carbon nanotubes being assembled by nano metal.     

硫对浮动催化法制备碳纳米管的影响

为了解浮动催化裂解工艺制备碳纳米管中硫元素对产物形态的影响规律 ,采用透射电子显微镜 (TEM)对产物进行了观察分析 ,结果表明过高或过低的硫含量都不能得到理想的碳纳米管。对碳管端部的催化剂颗粒进行了成分分析 ,并通过热力学和动力学分析 ,认为硫元素不是通过液化铁颗粒起催化活化的作用 ,而是由于硫原子吸附在铁颗粒的表面 ,部分地覆盖了铁颗粒 ,使碳氢分子的吸附和碳纳米管的析出能够连续地进行 ,从而起到催化活化的作用     

Microfabrication technology: organized assembly of carbon nanotubes

Nanoscale structures need to be arranged into well-defined configurations in order to build integrated systems. Here we use a chemical-vapour deposition method with gas-phase catalyst delivery to direct the assembly of carbon nanotubes in a variety of predetermined orientations onto silicon/silica substrates, building them into one-, two- and three-dimensional arrangements. The preference of nanotubes to grow selectively on and normal to silica surfaces forces them to inherit the lithographically machined template topography of their substrates, allowing the sites of nucleation and the direction of growth to be controlled.