高質(zhì)量單壁碳納米管的生長(zhǎng)調(diào)控與特性研究.pdf

1、單壁碳納米管(SWNTs)是一種典型的一維納米材料，具有與其直徑、手性緊密相關(guān)的電學(xué)、光學(xué)以及化學(xué)等方面的優(yōu)異性能，且半導(dǎo)體性SWNTs的帶隙與其直徑成倒數(shù)關(guān)系。然而，目前所制備的SWNTs樣品中絕大多數(shù)是由多種具有不同直徑和手性的SWNTs組成的，且難以分離，因此無(wú)法保證SWNTs基器件性能的均一性，這已經(jīng)成為阻礙SWNTs大規(guī)模應(yīng)用于納電子器件的科學(xué)難題之一。此外，當(dāng)前在利用電弧放電法進(jìn)行高效率、低成本、大規(guī)模制備SWNTs方面還存

2、在諸多問(wèn)題，尤其表現(xiàn)在催化劑的催化效率低下方面，一方面導(dǎo)致產(chǎn)物中含有大量雜質(zhì)，需要經(jīng)過(guò)繁瑣的后續(xù)提純處理，另一方面導(dǎo)致SWNTs制備效率不高，難以大幅度降低SWNTs的生產(chǎn)成本。針對(duì)上述問(wèn)題，本論文在對(duì)電弧放電過(guò)程進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上開(kāi)展了優(yōu)化制備工藝、調(diào)控SWNTs成核、生長(zhǎng)過(guò)程、低純度樣品提純及選擇性刻蝕金屬性SWNTs等方面的研究工作。
　　首先對(duì)電弧放電過(guò)程中各影響因素進(jìn)行了深入細(xì)致的分析，重點(diǎn)研究了催化劑的引入方式、不同

3、陰極尺寸等因素對(duì)所制備SWNTs的純度和產(chǎn)量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，催化劑以金屬鹽的方式引入時(shí)能夠顯著地改善其在陽(yáng)極石墨棒的分布均勻性，有利于提高催化效率，大大提高了產(chǎn)物中SWNTs的純度。適當(dāng)增加陰極直徑有利于改善SWNTs成核、生長(zhǎng)環(huán)境，提高產(chǎn)物中SWNTs的純度，通過(guò)調(diào)控陰極直徑（0.8 cm～2.5 cm）可以實(shí)現(xiàn)對(duì)SWNTs長(zhǎng)度的調(diào)控。
　　提出了通過(guò)引入低壓反應(yīng)性氣體對(duì)SWNTs成核、生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行主動(dòng)干預(yù)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)控SWN

4、Ts直徑分布的思想。在電弧放電過(guò)程中，引入的低壓反應(yīng)性氣體（CO、CO2和N2O）能夠影響SWNTs的成核、生長(zhǎng)過(guò)程。增加反應(yīng)性氣體在緩沖氣體中的含量能夠?qū)崿F(xiàn)抑制小直徑SWNTs的形成，而使SWNTs直徑分布向大直徑SWNTs方向移動(dòng)。同時(shí)，引入少量反應(yīng)性氣體在一定程度上可以提高產(chǎn)物中SWNTs的純度。
　　首次利用橫向磁場(chǎng)控制磁性催化劑在電弧等離子體中的運(yùn)動(dòng)行為；利用電磁場(chǎng)來(lái)調(diào)控電弧等離子體參數(shù)(等離子體密度、電子溫度)、帶電碳

5、原子簇的運(yùn)動(dòng)行為、電子運(yùn)動(dòng)方向等。通過(guò)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度、方向能夠控制電弧等離子體的噴射方向，也即控制了催化劑以及帶電碳原子簇的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，最終達(dá)到對(duì)SWNTs成核、生長(zhǎng)以及沉積方向的調(diào)控。施加橫向磁場(chǎng)后，在定向電弧等離子體前、后、左、右等四個(gè)區(qū)域收集的SWNTs樣品具有不同的直徑分布，尤其當(dāng) Fe/Mo作為催化劑時(shí)，改變橫向磁場(chǎng)強(qiáng)度與方向能夠?qū)WNTs直徑分布與定向沉積方向進(jìn)行更加有效地調(diào)控。同時(shí)，研究結(jié)果表明磁場(chǎng)對(duì)SWNTs制備過(guò)程的調(diào)控

6、主要是通過(guò)影響催化劑粒子在非均勻磁場(chǎng)中的尺寸分布來(lái)實(shí)現(xiàn)的，洛倫茲力改變盡管能夠調(diào)控SWNTs的直徑分布但并未起到?jīng)Q定性作用。另外，首次利用施加橫向磁場(chǎng)可誘導(dǎo)SWNTs定向沉積這一特點(diǎn)將非連續(xù)單反應(yīng)室SWNTs的單批次制備產(chǎn)量由10克提高到50克以上。
　　針對(duì)低純度SWNTs樣品提純這一難題，提出利用分步離心逐級(jí)提高SWNTs純度與濕法氧化相結(jié)合的綜合方法進(jìn)行SWNTs提純處理。具體來(lái)講，首先通過(guò)空氣氧化去除大部分無(wú)定形碳成分；然

7、后將樣品均勻分散形成SWNTs-SDS水溶液，然后分別在4500、9000、12000和15000 rpm等四種轉(zhuǎn)速下離心分離逐步將雜質(zhì)沉淀分離出來(lái)；接著采用H2O2加熱回流的方式氧化去除殘余的超細(xì)雜質(zhì)粒子，并通過(guò)稀酸酸洗反應(yīng)掉殘余的催化劑粒子，最后獲得潔凈的SWNTs樣品。該提純方法對(duì)SWNTs結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞很小，能很好地保留了初始樣品中SWNTs直徑分布的信息，這為研究直徑可控性生長(zhǎng)及后續(xù)的測(cè)試分析提供保障。
　　利用金屬性與