铁为催化剂合成碳纳米管
摘 要
因为碳纳米管独一无二的电子和机械性能，其领域得到了迅速发展。各种技术的应用都采用碳纳米管，如平板显示器，储气设备，有毒气体传感器，锂电池，坚固且轻质的材料，导电涂料，电子纳米器件等的制造。然而在采用碳纳米管或纳米复合材料时，为了成本考虑我们有必要控制它们的生长，长度，直径和结晶度。
本论文拟研究不同粒径的铁催化剂对产物的产率、形貌、磁性能的影响。实验思路：首先用溶胶凝胶法合成氧化铁颗粒，然后用氢气高温还原，通入乙炔，最后在催化剂作用下裂解生长出碳纳米管。
实验结果表明随着烧结温度的增加，催化剂粒径增大。随着催化剂粒径的增大，碳纳米管的直径增大，长度减小。
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关键字:催化剂碳纳米管氧化铁
目录
1.绪论 1
1.1介绍和概述 1
1.2碳纳米管的结构 3
1.3利用太阳能生产碳纳米管 4
1.4碳纳米管的复合 6
1.4.1使用碳纳米管的陶瓷基复合材料 6
1.4.2使用碳纳米管的金属复合材料 7
1.4.3层状复合材料：碳纳米管涂层 7
1.5纳米管纯化 9
2.表征方法 12
2.1 扫描电子显微镜（SEM） 12
2.2振动样品磁强计（VSM） 12
3.材料制备 13
3.1催化剂制备 13
3.2碳纳米管制备 14
4.实验结果 15
4.1氧化铁的电镜表征 15
4.2碳纳米管的电镜表征 16
4.3碳纳米管的磁性表征 18
参考文献 21
致谢 23
1.绪论
1.1介绍和概述
碳的外价电子层有四个电子;基态结构是 。金刚石和石墨被认为是两种天然的结晶形式。在金刚石中，碳原子表现出 杂化，四个键指向一个正四面体的四个角。所得的三维网状结构（菱形）性质是极其刚性的，所以金刚石非常硬。 杂化的碳之间的键长为1.56Å（如钻石）。在石墨中，存在 杂化，其键长为1.42Å，并且石墨可以导电，而金刚石不导电。
碳纳米管（CNTs），被视为纯碳的一种新形式，可以看作是一种热轧六角钢碳网络。这种网络是由五边形的碳环封顶而成的。碳纳米管分为两种类型：单壁（单壁碳纳米管）和多壁（多壁碳纳米管）。
在高分辨率透射电子显微镜下（HRTEM）观察到的第一个碳纳米管图像，可能是在70年代中期由Endo获得的[1]。Endo分析了在1000摄氏度下由苯和二茂铁的热解而制造出来的碳纤维的内部结构，并阐明了它们的生长机制，以控制批量生产的碳纤维（这些纤维也称为气相生长碳纤维; VGCFs）。因为需要薄标本来进行高分辨透射电子显微镜下的研究，所以Endo改变了试生产条件，从而使细纤维（<100 nm）得以生产出来。他观察到的纳米级管状石墨可以通过散热的方法生产，并且他拍摄到了第一张单壁碳纳米管和多壁碳纳米管（图1）。不幸的是，这份报告并没有造成很大的影响，因为当时研究人员更感兴趣的是微米大小的碳纤维。
十五年后，Lijima用高分辨透射电子显微镜和电子衍射报道了螺旋碳微管的存在（现在称为纳米管;图2a），它是由嵌套的石墨烯小管[2]组成的（图2b）。该材料是在电弧放电富勒烯反应器中生成的（在低直流情况下操作），这些同轴细管的层间距约为3.4Å，它的值比石墨略大（3.35Å）。
随后，Ebbesen和Ajayan报道了碳纳米管的一些合成方法[3]。他们通过最佳直流电流和压力条件下的电弧石墨电极，从而采集到了纳米管材料。如今，我们可以通过各种各样的方法来制备碳纳米管，例如电弧放电，石墨靶激光汽化，太阳能碳汽化和碳电极的电解。
图1（a）表示的是高分辨透射电子显微镜下两个相交的单壁碳纳米管图像，（b）表示的是在较高放大倍率下单个石墨烯的图像，该管的直径约为4nm。这可能是有史以来单壁碳纳米管的第一图像;（c）表示的是高分辨透射电子显微镜下的多壁碳纳米管，箭头指示的区域是单壁碳纳米管。
图2（a）表示的是一个单壁碳纳米管（轧六方碳点阵）的分子模型;（b）表示的是高分辨透射电子显微镜下，多壁碳纳米管的一端图像。（c）表示的是一个纳米管的尖端，该模型类似于图（b）。
现在人们对纳米管的研究呈指数增长（图3），新兴技术在不断发展。然而在采用碳纳米管或纳米复合材料时，为了成本考虑我们有必要控制它们的生长，长度，直径和结晶度。
图3描绘了从1991年至2001年，碳纳米管出版物的数目呈指数增长。
1.2碳纳米管的结构
理论上可以通过卷起一个六角形的石墨烯片构造出 杂化的碳细管，从而导致“非手征”和手征排列。在非手征几何图形中蜂窝格子位于该管的顶部和底部，总是平行于管轴。在armchair结构中，相对的两个C-C键的每个六边形的边是垂直于管轴的，而在zigzag结构中，这些键是平行于管轴线的（图4a，b）。而另外一些结构， C-C键是以一个角度偏向管轴，这些结构被称为手征或螺旋结构（图4c）。
图4是不同手性的单壁碳纳米管分子模型：（a）armchair结构，（b）zigzag结构，（c）chair结构。
1.3利用太阳能生产碳纳米管
除了高能量的激光，电弧放电和热路线，我们还可以利用太阳能生产碳纳米管（图5）。在这种情况下，Laplaze等设法生产出了单壁碳纳米管和多壁碳纳米管（图6）。当在惰性气氛中[4]太阳能会聚焦在一个碳 - 金属靶上，太阳能能够蒸发石墨金属靶材。通过这样的实验，入射太阳通量可以接近500 W/cm2，温度可以达到2800 K[5]。最近，实验已证明当温度接近3400 K时，可以显著提高富勒烯和纳米管的产率[6，7]。Guillard和合作者已经能够使用600至920 W/cm2范围内的太阳辐射通量密度来扩大该过程，从而导致煤烟的产生（2克/小时），这些煤烟富含富勒烯和纳米管[8]。另外，也可以使用太阳炉进行热解来生产多壁碳纳米管。
总之，该方法具有潜在的优势，但仍需要进一步研究。因为产品的质量与压力和碳 - 金属比有着非常大的关系。
图5是太阳能反应器的草图，用来生产单壁碳纳米管，多壁碳纳米管。在惰性气氛下，反应器通过集中太阳能光束，能够汽化石墨和金属 [4]。
图6是利用太阳能生产出的单壁碳纳米管的TEM图像，用钴作为催化剂。
1.4碳纳米管的复合
1.4.1使用碳纳米管的陶瓷基复合材料
从化学角度来看，涂覆SiOx的碳纳米管展现出了更高的抗氧化性（<1200摄氏度）[9]，氧化是全碳材料的一个共同缺点。多壁碳纳米管/氧化矽复合材料可以通过压力和热退火结合的溶胶 - 凝胶技术而制成。Seeger等人发现，SiOx涂层以两种方式沉积在碳纳米管上：（a）建立Si和C之间的共价键，（b） SiOx壳和外层之间不建立链接（图7）。从理论上讲，可以利用密度泛函紧束缚方法证明(Si-C）键的形成会导致碳原子的部分重杂化（图8）。这个特定的SiOx层不会导致碳原子的任何接合失败。
碳纳米管涂层与不同材质的单分子膜可能会开拓纳米技术研究和智能复合材料制造的一个全新领域。我们可以在低温和高温情况下，使用单步化学方法去处理碳纳米管的不规则金属氧化物涂层。
一些纳米管 - 陶瓷复合材料已经采用 和Fe生产出来了。Ma等人生产的多壁碳纳米管 - 碳化硅陶瓷与散装碳化硅相比有10％的增长。纳米管陶瓷复合材料的机械性能，现在正在研究中[10]。
图7（a）是一个典型的涂有二氧化硅的多壁碳纳米管透射电子显微镜图像。（b）是一种结构为Si-L ，CK的EELS线型扫描分析，并且0-K边表示该复合树脂管状体是由20-30纳米厚度的二氧化硅所涂覆的碳纳米管组成。（c）表示在1150摄氏度下产生出的一种破损的SiOx涂覆管，内筒是由多壁碳纳米管构成。（d）是裂纹区（如图c）的放大图像，显示的是多壁碳纳米管（白色箭头）表面上的碎石墨烯片。黑色箭头表示碳纳米管的两个气缸之间的滑移面。
1.4.2使用碳纳米管的金属复合材料
对金属 - 纳米管复合材料的研究是很有意义的，这是因为新的催化剂可以不断被开发出来[10]。例如Li等人[11]和Chen等人[12]使用电镀的方法来包覆多壁碳纳米管的表面。同样，Chen等人[13]发现钴可沉积在多壁碳纳米管的表面上。并且他们发现对气缸进一步热处理能够提高涂层的均匀性。此外，Kuzumaki等人制造的Ti-多壁碳纳米管， -多壁碳纳米管和Al-多壁碳纳米管复合材料[15，16，14]与该散装材料相比，硬度和杨氏模量会增加。
通过结合钢，聚合物和多壁碳纳米管，我们可以制造出具有更强机械性能的复合材料。更多有关信息，请参阅碳纳米管的力学性能和复合材料制造[17，18]的最新研究。
原文链接：http://www.jxszl.com/dzxx/gdxx/2594.html
