碳纳米管的制备与应用

综述了清华大学机械工程系纳米碳材料实验室10年来在碳纳米管相关领域的研究成果。采用浮动催化法制备了多壁碳纳米管、单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和定向碳纳米管薄膜,针对各种产物的结构特点,研究了碳纳米管在力学、电学、复合材料、双电层电容器、场发射、储氢和环保等方面的性能。不同类型的碳纳米管具有不同的力学、电学和吸附性能,具有潜在的应用前景。     

以炭黑为原料温和条件下液相生长碳(质)微带

以炭黑为原料,在温和条件下的无水乙醇相中,培养出从根本上不同于炭黑粒子聚集体结构的微米尺寸的带状结构碳(质)新型材料。采用扫描电子显微镜(SEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、电子衍射对新材料结构进行了表征。研究结果表明：在温和条件下的有机溶剂中以炭黑为原料制备出形态与结构完全不同于炭黑的带状晶体结构新型碳(质)材料,统计结果显示碳(质)微带的厚度约为1～5μm,宽度约为5～30μm,长度可达数毫米。     

碳纳米管上沉积铂工艺的研究

对碳纳米管上沉积纳米级金属铂颗粒的工艺进行了探索性的研究。经处理后的碳纳米管与氯铂酸乙醇溶液 ,在一定温度时缓慢加入 H2 O2 ,Na2 S2 O4溶剂 ,然后在室温下电磁搅拌 ,清洗、过滤 ,烘干后的黑色粉末放置管式炉中在氮气气氛下保温。经 X射线衍射 (XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜 (TEM)的检测结果表明 ,沉积在碳纳米管上的铂颗粒尺寸细小 ,分布均匀 ,无铂颗粒大块聚集。这为碳纳米管作为催化剂载体的研究奠定了基础     

甲烷一维层流预混火焰的详细和单步反应机理模拟

为了解单步反应机理的不足及其不同速率表达式之间的差异,分别采用详细和单步化学反应机理数值模拟了甲烷一维层流预混火焰。详细机理预报的火焰速度在整个可燃范围都与实验结果吻合,而单步机理只在贫燃条件下才能给出定量相符的结果,在富燃条件下定性和定量预报结果均不合理。同时,单步机理预报的温度和浓度分布也存在较大偏差,特别是在富燃区。进一步研究表明,用有些常见单步反应速率表达式获得的预报值在整个可燃范围都是不合理的。这些结果对选取反应模型和获得可信预报结果有参考意义。     

催化剂对乙醇火焰燃烧制备碳纳米管的影响

采用乙醇火焰燃烧,通过在镍基板上涂敷催化剂前驱体制备碳纳米管。借助扫描电子显微镜、透射电子显微镜、XRD和拉曼光谱等分析了不同催化剂对碳纳米管形貌及结构的影响。结果表明:在乙醇火焰中,对碳纳米管生成起催化作用的是金属氧化物纳米粒子,其催化活性的顺序为:氧化镍>氧化铬>氧化钼>氧化钴。催化剂不仅影响碳纳米管的生长速率,而且碳纳米管的直径和管壁的石墨结晶状态也随催化剂的不同而不同。     

Synthesis and magnetic properties of Fe<Subscript>3</Subscript>O<Subscript>4</Subscript>/helical carbon nanofiber nanocomposites from the catalytic pyrolysis of ferrocene

High purity Fe3O4 /helical carbon nanofiber composites were obtained on a large scale by the catalytic pyrolysis of ferrocene in the presence of tin powder at 500°C over 12 h. The sizes of Fe 3 O 4 nanoparticles are 35–65 nm in size, and the diameters of the helical carbon nanofibers range from 40–70 nm. The shapes and compositions of the nanocomposites are simply controlled by adjusting the reaction temperatures. On the basis of the obtained experimental results the formation of the helical Fe3O4/carbon nanofiber composites was investigated and discussed. The magnetic hysteresis loop of the products shows ferromagnetic behavior with saturation magnetization (M s ), remanent magnetization (M r ) and coercivity (H c ) values of ca. 29.8 emu/g, 9.6 emu/g and 306.6 Oe, respectively.     

钴/正己烷原位合成碳纳米管

介绍一种以钴为催化剂在500℃自升压力下原位合成碳纳米管的新方法。考察了碳源与催化剂的添加比率对产物的收率和形态的影响。结果表明：随着正己烷用量的提高,碳源转化率先提高后降低。透射电子显微镜(TEM)观察表明得到的碳纳米管的直径在20-40nm之间,管长为数微米。X-射线衍射(XRD)测试表明产物中炭的石墨化度较高,金属钴主要以立方晶型存在。     

气相火焰中铁钴镍合金表面沉积碳纳米管及形态分析

利用甲烷在空气中扩散燃烧,以铁钴镍合金片为载体和催化剂合成了碳纳米管,借助扫描电子显微镜、透射电子显微镜和拉曼光谱等分析了碳纳米管的形貌和结构。在合金表面成功沉积了碳纳米管,其外径为8~10 nm,内径为3 nm,长度约为15μm,密度大且分布均匀。研究表明:与纯镍片相比,铁钴镍合金具有更好的催化效果。     

Configuration and capacitance properties of polypyrrole/aligned carbon nanotubes synthesized by electropolymerization

Aligned carbon nanombes(ACNTs) were modified with polypyrrole(PPy) via electropolymerization.Because of the large specific surface area and excellent electrical conductivity of ACNTs,continuous electropolymerization was able to be carried out,forming a thick PPy coating on the ACNTs.The resulting nanocomposite possessed a core-shell structure with ACNTs as the core PPy as the shell,and nanoparticles of PPy on the top,and displayed high performance supercapacitance properties.     

活性炭选择性催化还原NOx

采用活性炭作催化剂,NH3为还原剂,进行活性炭脱硝机理的实验研究.分别考察了烟气组分、温度、活性炭的比表面积及不同材质对NOx去除率的影响.结果表明:活性炭作为单纯的吸附剂,其NO吸附容量较小,O2的加入使吸附容量增大,NH3与O2同时存在则可达到最佳去除效果,H2O的存在不利于活性炭的催化作用;温度在200℃时,活性...     

负载Fe介孔分子筛催化热解乙醇制备纳米碳管

通过水热法合成MCM-41介孔分子筛,用负载Fe的MCM-41介孔分子筛作为催化剂,乙醇作为碳源用CVD法合成碳纳米管.采用红外光谱、X-射线粉末衍射、比表面积和孔径测定、透射电子显微镜等手段对介孔分子筛和碳纳米管进行了表征.结果表明:制得了长程有序性好,比表面积为1 077.79 m2/g,平均孔径为3.21 nm的MCM-41介孔分子筛;所制备出的纳米碳管管径均匀,缺陷较少,顶端开口,平均管径为5 nm,在HF溶液中超声波处理可以得到高纯度的纳米碳管.     

均匀大晶粒ZSM-5分子筛的合成

以SiO_2、NaAlO_2、NaOH、KOH、TPAOH、NH_4HCO_3·NH_2COONH_4和H_2O(51∶1∶9∶0.5∶12∶9∶1300mol比)为原料,在压热釜中170℃晶化10天;洗涤、干燥;通N_2 450℃活化8 h,650℃加热8 h,得ZSM-5分子筛。通过扫描电镜观察、X光衍射、固体核磁共振和微区分析等方法,证明所制得的产物没有杂晶和无定形物质的混杂,没有ZSM-11的共生结构,硅铝比不均匀不太严重。所得晶体在粒径上相当均匀,晶体的平均长度为22.6μm,相对标准差为5.8%。     

Synthesis of carbon nanotube arrays using ethanol in porous anodic aluminum oxide template

Carbon nanotube (CNT) arrays confined by porous anodic aluminum oxide (AAO) template were synthesized using ethanol as reactant carbon source at low pressure. Images by scanning electron microscope (SEM) and low magnification transmission electron microscopy (TEM) show that these CNTs have highly uniform outer diameter and length, absolutely controlled by the diameter and depth of nano-channel arrays of the AAO. High resolution transmission electron microscopy (HRTEM) imaging indicates that the graphitization of the CNT walls is better than the results reported on this kind of template-based CNT arrays, although it is not so good as that of multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) synthesized by catalysis. CNTs synthesized using acetylene as reactant gas show much less graphitization than those prepared using ethanol by comparing the results of HRTEM and Raman spectroscopy. The etchingeffects of decomposed OH radicals on the amorphous carbon and the roughness of AAO nano-channel arrays on the CNTs growth were employed to explain the graphitization and growth of the CNTs.     

二氧化硅微粉对炭素捣打料显微结构及性能的影响

以冶金焦粉为主要原料,改性中温沥青粉为结合剂,添加二氧化硅微粉混合成型,于220℃下干燥、1 550℃下埋炭烧成炭素捣打料.测定烧成样的耐压强度、体积密度和导热系数,采用XRD和SEM分析试样物相及显微结构.结果表明,添加了二氧化硅微粉的试样经1 550℃热处理,可原位反应生成碳化硅晶须,二氧化硅微粉初期添加量越大,所生成的碳化硅晶须越多,试样的体积密度、耐压强度和导热系数越高;当二氧化硅微粉添加量为8.5％时,试样的碳化硅晶须生成量减少,导热系数降低.     

气相生长碳纤维的制备

以苯和氢气为原料在石墨,陶瓷等基板表面催化热解制取低成本,高性能的气相生长碳纤维（ＶＧＣＦ）,实验考察了催化剂类热解温度、热解时间,苯带入量,载气,基板材料等参数对ＶＧＣＦ生长情况及性能的影响,并提出了碳纤维的生长机理。结果表明,在合适条件下,用直接播种法制得的ＶＧＣＦ直径为０．７￣１０μｍ,长度为１￣５μｍ,采用金属原子溅射沉积的基板可得到均匀稠密的ＶＧＣＦ,直径为３￣８０μｍ,碳纤维的生长过程     

炭凝胶的制备及其电化学电容性能

采用新型聚合物混合法,在合成炭前驱体聚合物的单体溶液中混入热不稳定的聚乙二醇,制得了比表面积达710m2/g,平均孔径为2.8nm的新型中孔炭干凝胶PEG-RF炭.X射线衍射、热重分析及N2等温吸脱附测试结果表明,炭前驱体的微相分离结构和热稳定性较差的聚乙二醇的存在导致了炭干凝胶中孔特征孔隙结构的形成.在30％H2SO溶液中,对PEG-RF炭和比表面积迭1720 m2/g的微孔T82型活性炭的电化学电容性能进行了对比研究。研究结果表明:当放电比电流为0.2A/g时,PEG-RF炭和T82型活性炭的比容量分别为36F/g和48F/g;当放电比电流增至1A/g时,PEG-RF炭和T82型的比容量分别为105F/g和94F/g;PEG-RF炭具有比T82型活性发更优异的电化学电容性能,两者孔隙结构的差异导致了炭凝胶电化学电容性能的差异.     

NaCl担载Fe催化CVD法合成碳洋葱

以水溶性NaCl为载体,用浸渍法制备了Fe质量分数分别为0.3%、1.6%、3.3%和5.2%的催化剂,在400℃下催化裂解乙炔合成纳米碳材料;用场发射扫描电子显微镜、高分辨透射电镜对样品进行了结构表征和分析。结果显示,利用Fe质量分数为0.3%的催化剂合成的碳洋葱颗粒直径分布在15-50 nm之间,多数在15-35 nm内。     

工艺参数对碳纳米管定向薄膜生长的影响

为了生长出高质量的定向碳纳米管薄膜 ,研究了反应时间、反应温度等工艺参数对薄膜生长的影响。试验采用二甲苯为碳源 ,二茂铁为催化剂 ,在石英基底上催化裂解生长碳纳米管定向薄膜。通过扫描电子显微镜 (SEM)和透射电子显微镜 (TEM)观察表明 ,得到的薄膜是由定向性良好的多壁碳纳米管 (MWNTs)组成 ,管径为 2 0～ 5 0 nm。反应时间对定向生长的碳纳米管长度有决定性影响 ;随反应时间的增长 ,定向性更好。同时 ,较适合碳纳米管薄膜定向生长的反应温度区间为 10 5 3～ 1113K。而反应温度和反应时间对薄膜中碳纳米管的直径无明显影响。     

晶种辅助法控制合成CdS纳米棒

本论文以CS2为硫源．首先在十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)胶束中制备CdS纳米棒品种．然后利用晶种辅助法实现了不同长径比的CdS纳米棒制备。实验结果表明晶种辅助生长法能否成叻与晶种在反应体系中溶解特性有很大关系。