催化劑對(duì)碳納米管生長(zhǎng)的影響及相關(guān)研究.pdf

1、碳納米管自1991年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，因獨(dú)特優(yōu)異的物理、化學(xué)、電子等性能引起了廣大學(xué)者的研究興趣。經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，碳納米管在制備方面已經(jīng)取得了較大的進(jìn)步，基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)管徑的控制以及大面積的定向生長(zhǎng)，但仍不能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，不能控制碳納米管的結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)方向。本文主要從結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的理論出發(fā)，對(duì)影響碳納米管生長(zhǎng)的催化劑鐵膜進(jìn)行研究和討論，并嘗試性地提出了碳納米管的固一液．界面生長(zhǎng)模型，為碳納米管的制備提供了理論思路。 首先，本文在SiO<

2、,2>/Si表面采用真空蒸發(fā)法制備了催化劑鐵膜，通過(guò)控制蒸發(fā)時(shí)間、蒸發(fā)速率和真空室壓強(qiáng)以制備所需催化膜，討論了膜厚與蒸發(fā)時(shí)間、蒸發(fā)速率和真空室壓強(qiáng)的關(guān)系。在利用H<,2>、H<,2>+N<,2>、NH<,3>氣體刻蝕處理催化劑鐵膜時(shí)發(fā)現(xiàn)，相同試驗(yàn)條件，相同H/N原子比的情況下，經(jīng)NH<,3>處理過(guò)的催化顆粒尺寸最均勻，且直徑較小、有利于生長(zhǎng)小直徑碳管。 其次，本文從結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的理論出發(fā)，分析了催化劑金屬Fe對(duì)碳納米管生長(zhǎng)的影響一

3、主要從催化劑鐵的晶體結(jié)構(gòu)、溫度、載氣等方面進(jìn)行了研究。溫度將影響催化劑晶體結(jié)構(gòu)，在900℃左右催化劑金屬鐵處在面心立方結(jié)構(gòu)，碳在面心立方晶體結(jié)構(gòu)中的溶解度比體心立方晶體結(jié)構(gòu)中的大，同時(shí)在面心立方晶體結(jié)構(gòu)中碳擴(kuò)散的幾率也較大，從而間接影響碳納米管的產(chǎn)率，NH<,3>作載氣時(shí)碳納米管的一致性較好。其他元素的加入將影響催化劑中碳原子的活度，加入置換固溶體中金屬原子的非碳化物形成元素，將“推開(kāi)”碳原子，提高其活動(dòng)性，增加碳的活度，并增大碳從固溶

4、體中析出的傾向，利于碳納米管生長(zhǎng)。Fe中加入Co和Ni都能提高碳原子的活度，同時(shí)也就解釋了雙金屬或多金屬比單一金屬催化活性大的原因：催化劑顆粒的熔點(diǎn)隨顆粒尺寸的減小而降低，在碳納米管制備的過(guò)程中，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，催化劑顆粒多處在固液并存的狀態(tài)。根據(jù)曲率半徑和電性的影響，給出熔點(diǎn)降低和顆粒直徑之間的理論計(jì)算關(guān)系。 最后，本文對(duì)碳納米管的幾種主要的生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行了討論比較，嘗試地提出碳納米管的固-液-界面生長(zhǎng)模型，并對(duì)析出面、析出能進(jìn)行