碳基納米材料（單壁碳納米管和單層石墨）的性質(zhì)及應(yīng)用探索.pdf

1、碳元素是元素周期表中最為引人注目的元素。不但由它形成的有機化合物的種類繁多,用途廣泛,而且作為單質(zhì)形式,碳也同樣具有幾種不同的同素異形體：金剛石,石墨,無定形碳,富勒烯,碳納米管,以及單層石墨。這些碳的同素異形體因其不同的結(jié)構(gòu)特征而具有截然不同的物理、化學(xué)性質(zhì)。對于上述碳納米材料其特征的形狀,包括零維的球型(富勒烯),一維的空心長管(碳納米管),以及二維的平面(單層石墨),和碳納米材料所表現(xiàn)出的特征的物理性質(zhì)包括電學(xué)性能,力學(xué)性能,磁學(xué)

2、性能等等,使其在各個領(lǐng)域具有極其廣泛的應(yīng)用。本論文研究了最新的兩種碳納米材料包括單壁碳納米管(SWNTs)和單層石墨的性質(zhì)并探索了其在多方面的應(yīng)用,包括SWNTs用于電磁屏蔽,電磁波吸收,納米反應(yīng)容器,以及單層石墨用作有機光伏電池受體材料等四方面的研究。 第一、我們制備了PU/SWNTs復(fù)合材料并將其用作電磁屏蔽材料。對于20wt％的SWNTs含量的樣品,我們得到了～17dB的電磁屏蔽效率。通過對其屏蔽機理的研究,發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料

3、對電磁波屏蔽的機理主要來源于反射,而隨著SWNTs含量的增加和頻率的增加,這種電磁屏蔽效果的來源具有一種貢獻轉(zhuǎn)移的行為。也就是說,隨頻率和SWNTs含量的增加,電磁屏蔽效果中來源于反射部分(R)的減少,而來源于有吸收部分(A)的增加。這種行為在SWNTs含量較高時比較明顯。通過分析電磁波的傳輸行為和復(fù)合材料的內(nèi)在性質(zhì),我們將這種行為主要歸因于復(fù)合材料的tanδ隨SWNTs含量和頻率的增加而增加；而εr在SWNTs含量較高時隨SWNTs含

4、量增加緩慢,并且εr隨頻率增加而降低。另外,我們發(fā)現(xiàn),隨SWNTs含量的增加,σac和εr值對吸收部分(A)的貢獻大于其對反射部分(R)的貢獻。 第二、通過制備SWNTs/可溶解交聯(lián)聚氨酯(SCPU)復(fù)合材料并將其用作電磁波吸收材料測定了其在2-18 GHz(微波頻率波段)的微波吸收性能。隨SWNTs含量的增加,復(fù)合材料對電磁波的吸收性能先增加,后降低。對于SWNTs含量為1,2,5,10,25％含量的樣品,SWNTs含量為5％

5、的樣品具有最好的微波吸收性能,在8.8 GHz處表現(xiàn)出22 dB的反射率。而且隨SWNTs含量的增加,材料的吸波頻率寬度先增加,后降低,并且吸波頻率向低頻方向移動。通過對復(fù)合材料復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率的測定結(jié)果顯示,復(fù)合材料對電磁波主要的吸收貢獻來源于電損耗,而不是磁損耗。根據(jù)傳輸線理論利用復(fù)介電常數(shù)和復(fù)磁導(dǎo)率對吸波性能進行的模擬與實測出的吸波性能吻合良好。第三、使用SWNT作為納米反應(yīng)器進行了苯乙烯的聚合熱反應(yīng),形成了PS@SWNT的豆

6、莢結(jié)構(gòu)。我們使用TEM觀察了這種豆莢結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)PS高分子鏈呈伸直鏈或準伸直鏈狀態(tài)存在于SWNT空腔中。通過使用光譜法包括FT-IR,1H NMR,和Raman光譜對這種PS@SWNT的系統(tǒng)研究,我們發(fā)現(xiàn)PS@SWNT豆莢結(jié)構(gòu)與純的PS和純的SWNT的性質(zhì)有很大差異。FT-IR光譜的結(jié)果顯示,PS@SWNT中PS鏈的C-H振動模式被抑制,而C-C骨架振動保持著很強的振動。這反映出C-H鍵處于PS高分子鏈外側(cè),比較接近SWNT管壁因而其振動

7、受到管壁的抑制較大；而C-C鍵處于PS高分子鏈的內(nèi)側(cè)因而它的振動沒有受到很大抑制。1H NMR數(shù)據(jù)顯示PS@SWNT中PS芳環(huán)的質(zhì)子峰向高場移動,這說明由于SWNT管壁π電子的屏蔽作用,使得其內(nèi)部1H的共振需要更強的外加磁場才能實現(xiàn),因而其1H的振動峰出現(xiàn)在高場區(qū)。Raman光譜顯示,PS@SWNT的呼吸振動模式(RBM)與純的SWNT相比也表現(xiàn)出很大的不同。通過使用Lorentz擬合分峰法進行分析,發(fā)現(xiàn)在進行PS填充后,分出的兩個SW

8、NT的RBM峰的強度向相反方向變化,也就是一個峰強度增加,一個降低,這顯示出PS分子鏈與SWNT之間很強的電子相互作用。該PS@SWNT雜化材料由于具有導(dǎo)電的SWTNs外層和非導(dǎo)電的PS鏈填充的內(nèi)層結(jié)構(gòu),因此我們預(yù)期該材料可能用于分子導(dǎo)線,在對納米級高頻交流信號的傳導(dǎo)方面具有一定的應(yīng)用。 第四、將有機可溶解的單層石墨材料作為新型受體材料與P3HT和P3OT復(fù)合用在本體異致結(jié)有機光伏電池中。這種功能化的單層石墨可以很容易的溶解在有

9、機溶劑中與P3HT或P3OT形成均一分散的復(fù)合材料。單層石墨與P3HT或P3OT之間具有很強的電子相互作用和能量轉(zhuǎn)移,這就使它能作為一種有效的受體材料用在本體異致結(jié)光伏電池中。通過控制對具有ITO(～17Ωsq-1)/PEDOT:PSS(40 nm)/P3OT：單層石墨(100 nm)/LiF(1 nm)/Al(70 nm)結(jié)構(gòu)的光伏器件的熱處理可以顯著提高它的光電轉(zhuǎn)化效率,在AM1.5G強度為100 mW的模擬太陽光的照射下,產(chǎn)生了1