火焰法合成碳納米管及合成機(jī)理研究.pdf

1、為了設(shè)計(jì)出有望實(shí)現(xiàn)大量、連續(xù)、低成本、工業(yè)化合成的反應(yīng)器和實(shí)驗(yàn)方案，首先設(shè)計(jì)出了類棱臺(tái)型反應(yīng)器，系統(tǒng)地研究了工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)物的影響，分析了碳納米管的合成機(jī)理，最后對(duì)合成的碳納米管做了初步的純化處理。
　　 實(shí)驗(yàn)得到的主要產(chǎn)物為多壁碳納米管，也得到了單壁碳納米管。類棱臺(tái)型反應(yīng)器可以避免反應(yīng)物與空氣充分接觸，通過調(diào)整熱解區(qū)和合成區(qū)之間的距離可以達(dá)到熱解和合成互不影響，實(shí)現(xiàn)原料的熱解和碳納米管的合成在較佳條件下進(jìn)行。碳源過多(或過少)與

2、催化劑過少(或過多)結(jié)果相似，都表現(xiàn)為催化劑被碳源包裹或催化劑迅速長(zhǎng)大失活。氫氣和氦氣的過多或過少表現(xiàn)為吹掃作用過強(qiáng)或過弱，過強(qiáng)將導(dǎo)致碳原子不能附著在催化劑顆粒表面，過弱則不能有效凈化管和催化劑顆粒的表面而導(dǎo)致管較粗糙和催化劑顆粒失活。氫氣還具有活化催化劑的作用，氦氣還起到局部稀釋和降溫的作用，起攜帶催化劑的氦氣還影響到催化劑的供應(yīng)速度。
　　 取樣時(shí)間在前60s時(shí)未有碳納米管合成，在第70s時(shí)才在顆粒團(tuán)周圍有了管的萌芽，原因在

3、于取樣時(shí)間較短時(shí)基板溫度較低，催化劑顆粒和碳原子簇到達(dá)基板后被迅速冷卻，隨著取樣時(shí)間增加基板的溫度升高，到達(dá)基板的催化劑顆粒不再被冷卻為熔融度較低的狀態(tài)，具有了催化活性，實(shí)驗(yàn)同時(shí)根據(jù)取樣時(shí)間對(duì)碳納米管合成的影響得出碳納米管在增長(zhǎng)的同時(shí)也在增粗，最初在碳納米管開始合成前聚集在基板表面的是碳原子簇包裹催化劑顆粒形成的納米膠囊與催化劑顆粒和碳原子簇的混合物，同時(shí)最初生成的聚集物覆蓋了整個(gè)基板也證明了基板本身成分不能參與催化碳納米管合成。

4、>　　 熱解溫度對(duì)碳納米管合成的影響主要是溫度對(duì)一氧化碳熱解的影響，影響了碳源的供應(yīng)速度，而由于五羰基鐵在相對(duì)較低的溫度下即可迅速熱解，因此溫度對(duì)五羰基鐵的影響較小。合成溫度較高時(shí)催化劑顆粒表面的碳原子簇容易被氣化，即使有少量碳納米管生成也很容易被灼燒，溫度過低時(shí)催化劑顆粒熔融度較低，碳原子簇不能溶入或溶入后擴(kuò)散緩慢，也不利于碳納米管合成。
　　 霧化為小液滴的五羰基鐵做催化劑原料適于在相對(duì)溫度較低的情況下催化合成碳納米管，而

5、鐵鋁氧化物和鐵鋁鉬氧化物適合在相對(duì)溫度較高的條件下催化合成碳納米管。
　　 研究了不同種類和厚度的取樣載體，產(chǎn)物相差較大，分析認(rèn)為影響表現(xiàn)在載體本身的性能而不是材料元素直接參與催化碳納米管合成。取樣位置對(duì)碳納米管合成的影響也主要體現(xiàn)在合成溫度的影響。
　　 研究了采用物理法、化學(xué)法和綜合法對(duì)合成的碳納米管的純化，單純的物理法和化學(xué)法都不能達(dá)到清除掉催化劑顆粒和無定形碳等雜質(zhì)的目的，石墨片層包裹催化劑顆粒形成的納米膠囊即使

6、通過綜合法也不容易除去。
　　 研究了在熱解區(qū)取樣合成碳納米管，這是一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)的化學(xué)氣相沉積法的改進(jìn)，得到了管徑較小的碳納米管，同時(shí)進(jìn)一步證明了五羰基鐵做催化劑原料不適于在相對(duì)溫度較高的情況下催化合成碳納米管而鐵鋁氧化物和鐵鋁鉬氧化物適合。
　　 本文對(duì)碳納米管的合成機(jī)理做了探討，認(rèn)為碳納米管的合成機(jī)理符合傳統(tǒng)的“溶解-擴(kuò)散-析出”理論，不同點(diǎn)是碳源在高溫下還未與催化劑顆粒接觸前就已經(jīng)分解生成碳原子，同時(shí)碳納米