碳基纳米材料(碳纳米管阵列、石墨烯)的合成及性质.pdf

摘要摘要碳材料在宇宙中广泛存在,其奇异的物性和多种性随人类文明的进步而逐渐被认识和利用。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)。碳纳米管可以看成是由石墨片层卷曲而成的无缝管。碳纳米管因其尺寸小,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。定向排布的碳纳米管阵列是碳纳米管的一种取向形态,其生长密度大, 取向一致,可充分发挥碳纳米管沿轴向优异的导热和电荷传输性能,使其具有更为广阔的应用前景。石墨烯,是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状晶格结构碳质材料,自2004年被发现以来,已在实验科学和理论科学上受到了极大的关注。由于其具有特殊的纳米结构以及优异的性能,基于石墨烯的材料已在电子学、光学、磁学、生物医学、催化、传感器、储能等诸多领域显示出了巨大的应用潜能。在本文中,我们主要研究了两种碳纳米材料:碳纳米管和石墨烯,主要研究内容和结果,概括如下: 第一章:主要介绍了碳纳米管和石墨烯的结构、基本性质和应用,碳纳米管阵列的制备方法,以及对其在纳米材料领域的相关研究工作进行了综述,并阐明了我们的选题思路和研究内容。第二章:我们发展了一种简单而有效的制备图案化碳管阵列的方法。通过溶剂蒸发法,使聚苯乙烯/二茂铁在硅片表面形成一系列聚合物/无机前驱体杂化图案,并以这些图案为模板分别制备出了条纹状、阶梯状、穿孔状、蛇纹状和鱼鳞状等不同图案的碳纳米管阵列。此外,我们利用聚苯乙烯小球的遮挡作用,制备出了较高长度的柱状和蜂窝状碳纳米管阵列。同时,采用扫描电镜、透射电镜、光电子能谱、热重和原子力显微镜等手段对产物进行了充分的表征,并对形成机理进行了讨论。第三章,通过化学气相沉积法(CVD)制备出了毫米级的碳纳米管阵列, 摘要并采用原位灌注的方法,在不改变阵列结构的同时,,并检测出复合材料导热、导电的各向异性。第四章,以多孔镍为模板,制备出三维结构石墨烯,,很大程度地提高了高分子树脂的导电导热性能。同时,我们实现了石墨烯生长过程的原位拉曼检测。此外,介绍了石墨烯纳米材料的制备及其在锂硫电极上的应用。采用强酸氧化、快速热膨胀氢气还原的方法制备了石墨烯纳米材料,并以其为导电载体,制备出高容量、长循环寿命、。关键词:图案化;碳纳米管阵列;热传导;石墨烯 Abstract AbStraCt C抽on is abasicand important elemem lres zero, one锄d dimensioI璐。仃hgreatpotential abroadmge ofapplicatio璐. Since thediscoVer)r Ts)by Iijima 1991,these novel materials haVeanracted孕eatatt咖ion the area ofphysics,chemistDr aIldtechIlical carbon rLanotube can beregarded舔a seanlless tIl_becurlodby grapllite l∞, oft11eirex仃aordina巧physical and mechaIlicalproperties such船 nano—size,la玛e su—’acearea,goodconduct锄ce aIldlli曲mechaIlicals懈lgth,carbon nanotI』bes are a仕ractiVefor adiVe璐e raIlgeof印plications inp孤el displays,quantum wires,seIlsors,super-capacitorS andhydrogeIl Ts c觚be a盯aIlged鹊lligldy T a玎ayS,witll thous锄dsof砌印eIldent c抽on nanotI小es a饿I),s c锄be usefhl because ofthe eIl:haIlcedthe肌alconductiV时锄d cha玛en彻印on propenies along thea)【ialcarbon and ente巾risers are矾racted illtothe research of carbon 舳notube撇ys de