碳纳米管及其结构表征_精品文档.ppt

1、CompanyLOGO碳纳米管及其结构表征碳纳米管及其结构表征Company LContents常见碳纳米管的表征方法汇总常见碳纳米管的表征方法汇总基于扫描电子显微镜对碳纳米管复合材料的表征基于扫描电子显微镜对碳纳米管复合材料的表征碳纳米管的超级电容性及其表征碳纳米管的超级电容性及其表征单层碳纳米管和多层碳纳米管单层碳纳米管和多层碳纳米管碳纳米管材料的结构及其表面形貌碳纳米管材料的结构及其表面形貌Company L碳纳米馆材料的发展与运用碳纳米馆材料的发展与运用Company L碳纳米管结构及其表面形貌碳纳米管结构及其表面形貌碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料，其径向尺碳纳米管是一种具有

2、特殊结构的一维量子材料，其径向尺寸为寸为2-20nm量级，管两端基本上都是封口的，其主要由量级，管两端基本上都是封口的，其主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管，即呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管，即碳纳米管的壁层是碳纳米管的壁层是由六边形网格组成的圆柱面由六边形网格组成的圆柱面,且且 C C 原子之间通原子之间通过过 sp2杂化构成共价键杂化构成共价键,因此碳纳米管沿轴向有极高因此碳纳米管沿轴向有极高的拉伸强度。碳纳米管直径一般在几纳米到几十纳米的拉伸强度。碳纳米管直径一般在几纳米到几十纳米之间之间,长度为几个至几十微米长度为几个至几十微米,而且碳纳米管的直径而且

3、碳纳米管的直径和长度随制备方法及实验条件的变化而不同。实际制和长度随制备方法及实验条件的变化而不同。实际制备的碳纳米管并不完全是笔直、均匀的备的碳纳米管并不完全是笔直、均匀的,而局部出现而局部出现凹凸弯曲现象凹凸弯曲现象,这是由于在碳六边形网格中引入了五这是由于在碳六边形网格中引入了五边形和七边形缺陷所致。当出现五边形时边形和七边形缺陷所致。当出现五边形时,由于张力由于张力的关系导致碳纳米管凸出的关系导致碳纳米管凸出,如果五边形正好出现在碳如果五边形正好出现在碳纳米管顶端纳米管顶端,即形成碳纳米即形成碳纳米 管封口管封口,当当 出现七边形出现七边形时时,碳纳米管则凹进。碳纳米管则凹进。Comp

4、any L碳纳米管的比表面积碳纳米管的比表面积碳纳米管具有大的比表面积、分子尺寸孔洞,可做选择性吸附剂,进行物理吸附、化学吸附、均相溶液中吸附,也可做催化剂载体。N.M.R odri guez 1用 所制 纳米 管在-196 e对 N2 进行吸附,表面 积用 BET 方 程进 行计 算,在 250m2/g左右。Me guro 等 在 I2/g KI 溶液中,用 碳纳米管 做吸附 剂,发现只有 I2 被 吸附,结果 如图 1 所 示。表 面积 在 350m2/g 左右,所得值 大于 250m2/g(由吸 附 N2 所 得),表明对 I2 吸 附时,除了单层物理吸附外,还进行了 化学吸附。 单层碳

5、纳米管和多层碳纳米管单层碳纳米管和多层碳纳米管按所含有石墨层数的不同,碳纳米管可分为单层碳纳米 管(S i ngl e-wa ll Ca r bon Nan ot ube 简 写 为 SWC N T)和多层碳纳米管(Mult-i wal l Ca r b on Na no tu be 简写为 MWC-N T),两者的物理性质都与它们的结构有密切关系。碳纳米管由层状结构的石墨片卷曲而成,因卷曲的角度和直径不同,其结构各异:有左螺旋的、右螺旋的和不螺旋的。由单层石墨片卷成的称为单壁碳纳米管,多层石墨片卷成的称为多壁碳纳米管。两者的存在形式主要取决于制备方法和条件的不同。与多壁碳纳米管相比,单壁碳纳

6、米管的直径大小的分布范围小,缺陷少,均匀一致性更高。基于透射电子显微镜表征的碳纳米管的表面形貌基于透射电子显微镜表征的碳纳米管的表面形貌图 1 显示催化裂解法制备的碳纳米管的透射电子显微镜形貌像.碳纳米管直径为 10 30nm,长度为几个微米,管与管互相缠绕在一起.经过硝酸处理后,粘附在碳纳米管端部的催化剂颗粒被去掉,有些管端部开口.图 2 是热压工艺制备的碳纳米管固体电极的扫描电子显微镜照片.碳纳米管互相缠绕在一起,从而在碳纳米管之间形成相互连通的网络孔隙,硫酸电解液可以被吸附在这些孔隙中和碳纳米管表面,形成双电层电容碳纳米管的超级电容性及其表征碳纳米管的超级电容性及其表征-超级电容器超级电

7、容器TextTextTextTextText 超级电容器(Supercapacitors)又称电化学电容器(Electrochemical Capacitors)或者双电层电容器(ElectricDoubleLayer Capacitors)，它是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能元件，与传统电容器相比具有更高比电容量和能量密度，与电池相比则具有更高的功率密度。由于超级电容器具有充放电速度快对环境无污染和循环寿命长等优点，有希望成为本世纪新型的绿色能源电极材料是超级电容器的重要组成部分，是影响超级电容器电容性能和生产成本的关键因素，因此研究开发高性能低成本的电极材料是超级电容器研究工作的重

8、要内容。目前研究的超级电容器的电极材料主要有炭材料金属氧化物及其水合物电极材料和导电聚合物电极材料碳纳米管(CNT)碳纳米管(CNT)具有独特的中空结构良好的导电性高比表面积化学稳定性适合电解质离子迁移的孔隙以及交互缠绕可形成纳米尺度的网络结构等优点，因此其作为电极材料可以显著提高超级电容器的功率特性，被认为是理想的超级电容器电极材料，成为近年来的研究热点，并有不少有关基于CNT的超级电容器研究的综述报道。本文重点对近几年来在开发CNT作超级电容器的电极材料研究领域中对CNT的活化和提高CNT的分散性CNT与过渡金属氧化物复合材料CNT与导电聚合物复合材料以及CNT与石墨烯复合材料研究的新进展

9、进行综述。Company L碳纳米管的超级电容性及其表征碳纳米管的超级电容性及其表征-超级电容器超级电容器CNT具有很大的表面积良好的电导率和高强度的机械性能，自从具有很大的表面积良好的电导率和高强度的机械性能，自从1997年年Niu等等首次提出首次提出CNT可用到超级电容器中，可用到超级电容器中，CNT便开始成为超级电容器电极材料领便开始成为超级电容器电极材料领域的研究热点。近年来，域的研究热点。近年来，An等制备的单壁碳纳米管等制备的单壁碳纳米管(SWCNT)电极比电容电极比电容已达到已达到180 F/g，功率密度达到，功率密度达到20kW/kg Du等利用电沉积技术在镍箔电极上等利用电沉

10、积技术在镍箔电极上沉积一层多壁碳纳米管沉积一层多壁碳纳米管(MWCNT)薄膜，由于镍箔和薄膜，由于镍箔和MWCNT薄膜间的接触薄膜间的接触电阻很小，功率密度可以达到电阻很小，功率密度可以达到20kW/kg。如果将。如果将MWCNT先经过硝酸回流处先经过硝酸回流处理，再制得理，再制得MWCNT/镍箔电极，功率密度可提高到镍箔电极，功率密度可提高到30kW/kg。Zhao等将羧等将羧基化的基化的MWCNT喷射沉积在不锈钢层上制备喷射沉积在不锈钢层上制备MWCNT薄层，这种方法简单且薄层，这种方法简单且易于控制厚度制备的易于控制厚度制备的MWCNT薄层稳定性高，薄层稳定性高，100次循环后依然外观如

11、新没有破损脱落，其制得薄膜材料的比电容可达次循环后依然外观如新没有破损脱落，其制得薄膜材料的比电容可达155F/g。Yu等将等将SWCNT薄膜压到聚二甲基硅氧烷基底上制备出薄膜压到聚二甲基硅氧烷基底上制备出2维正弦曲维正弦曲线状线状SWCNT薄膜电极，其比电容可达到薄膜电极，其比电容可达到52 54F/g，电极材料在经受，电极材料在经受1000次的充放电后依然保持了良好的电容性能。次的充放电后依然保持了良好的电容性能。Company L碳纳米管的超级电容性及其表征碳纳米管的超级电容性及其表征-超级电容器超级电容器于洪涛等用热化学气相沉积法在阳极氧化钛片上直接生长了定向直立碳纳米管(ACNT)有

12、序阵列，用交流阻抗和循环伏安证明其具有良好的电容特性叶晓燕等在石英玻璃基底上以酞菁裂解法低压气相沉积制备大面积管径均匀长度一致的ACNT阵列，测定其比电容为1632F/g。Futaba等采用化学气相沉积法制备定向直立单壁碳纳米(AlignedSWCNT)有序阵列，然后利用浸润ACNT阵列的液体蒸发时产生的范德华力收紧ACNT阵列，制备出高密度的SWCNT固体，此电极的比电容可达80F/g，功率密度高达69.4kW/kg Chen等利用氧化铝模板化学气相沉积法制备的ACNT阵列，然后在ACNT阵列底部溅射上一层金箔作为集流体，用酸洗去氧化铝制成超级电容电极材料采用金箔作为集流体可减小接触电阻，测

13、得电极比电容为365F/g，且电极经过高达5000次的充放电后其比电容依然保持不变。Company L基于扫描电子显微镜对纸电池进行的表征基于扫描电子显微镜对纸电池进行的表征Liu等通过浮动催化化学气相沉积法制备了多层纸状CNT材料如图1A1C所示，这种多层纸状CNT呈书页状整齐排列因此，作者将这种材料称之为buckybook buckybook的每一页由CNT互相纠结连接组成(如图1D1F所示)，buckybook的层数和每层的厚度可通过改变气相沉积反应条件进行控制测得SWCNTbuckybook的比电容约100F/g，电阻约4.3/m2。Hu等将十二烷基苯磺酸钠和CNT溶解在蒸馏水中制成特

14、殊墨水，涂在纸张上制成纸电池，由于纸张的多孔结构具有很大的比表面积，又能产生巨大的毛细管力，这样有助于纸张吸附CNT并能与CNT牢固地结合这种纸的电阻仅约1/m2，比电容和功率密度则分别高达200F/g和200kW/kgCompany L基于扫描电子显微镜对碳纳米管复合材料的表征基于扫描电子显微镜对碳纳米管复合材料的表征Reddy等和Shaijumon等利用氧化铝模板依次沉积Au MnO2管，再利用化学气相沉积法在MnO2管中生长出CNT，制备出了多段Au-MnO2/CNT同轴阵列(如图2所示)依次沉积制备的Au-MnO2/CNT材料与没有沉积Au的MnO2/CNT材料相比，其比电容从44F/

15、g提升至68F/g，功率密度从11kW/kg提高至33kW/kg Au-MnO2/CNT材料经过1000次充放电过程后依然保持了良好的性质。Company L碳纳米管和碳纳米管和RuO2复合电极的表征复合电极的表征Company L碳纳米管和碳纳米管和RuO2复合电极的表征复合电极的表征图 4 是碳纳米管上粘附 Ru O2.x H2O 的透射电子显微镜照片.根据 Zhe n g的分析,反应沉淀过程中不停搅拌,并在 1 50 e 左右干燥退火所得到的 Ru O2.xH2O 为非晶态.在我们的实验中,在反应沉淀过程中由于碳纳米管表面提供 Ru O2.x H2O 形核的基底,所以形成非晶 R uO2

16、.xH2O 和纳米晶的混合体.随着 Ru O2.x H2O 的加入量的增多,R uO2.xH2O 向非晶态转变.图 5为两种不同含量 Ru O2.xH2O 的 X 射线衍射图.当 R uO2.xH2O 的含量由 45%增为 75%时,Ru O2.xH2O 几乎成为完全非晶.晶态 Ru O2 的比电容为 340 3 80 F/g,而非晶态 R uO2.x H2O的比电容最大可达 720 F/g.对由碳纳米管和 Ru O2.xH2O 构成的复合电极来说,随着 Ru O2.xH2O 加入量的增大,R uO2.xH2O 逐渐向非晶态转变,并且由于碳纳米管的比电容远小于 Ru O2.xH2O 的比电容,所以复合电极比电容显著增大.但是,由于碳纳米管RuO2.xH2O 提供高比表面的基底,所以复合电极中保留一定量碳纳米管,使电容器在大电流放电时功率特性变好.图 6 是复合电极的比电容随 Ru O2.x H2O 含量变化曲线,表明随着 RuO 2#x H2O 的增多,复合电极的比电容增大.但是如前面所述,R uO2#xH2O 的含量增多会恶化电容器大电流放电的特性.所以,最佳 Ru O2.xH2O