雙壁碳納米管的合成與填充研究.pdf

1、碳納米管一經(jīng)發(fā)現(xiàn)便吸引了全世界科學(xué)家的廣泛關(guān)注，已成為當(dāng)前納米科學(xué)研究領(lǐng)域最熱門(mén)的材料之一。雙壁碳納米管(DWNTs)具有介于單壁碳納米管與多壁碳納米管之間的獨(dú)特雙層石墨層結(jié)構(gòu)，因此兼具單壁碳納米管與多壁碳納米管的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)碳納米管內(nèi)部進(jìn)行填充不但能改變碳納米管本身的電學(xué)、力學(xué)等性能，而且還能調(diào)變被填充物質(zhì)的性質(zhì)。本論文的工作主要圍繞雙壁碳納米管的可控合成、填充以及納米空間內(nèi)填充物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)等展開(kāi)，獲得的主要結(jié)果如下： 1．高

2、產(chǎn)率合成了克量級(jí)、純度達(dá)90wt％以上的雙壁碳納米管。采用FeS代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Fe、Co、Ni、S 等催化劑，并添加鹵化物作為助催化劑，在有效改造傳統(tǒng)電弧爐樣品收集裝置基礎(chǔ)上，利用直流電弧法高選擇性合成了DWNTs，其產(chǎn)率由文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)的10wt％左右提高到50wt％以上，而且DWNTs的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量都有很大改善。發(fā)展了一種有效的 DWNTs 純化方法，經(jīng)過(guò)空氣選擇性灼燒、過(guò)氧化氫氧化、鹽酸溶液回流等簡(jiǎn)單純化處理，獲得了純度大于90wt％的高質(zhì)量

3、DWNTs，為研究DWNTs本身的結(jié)構(gòu)與性能及探索其應(yīng)用途徑提供了必要的物質(zhì)前提與基礎(chǔ)。 2．發(fā)現(xiàn)了DWNTs的特殊形貌和新奇性質(zhì)。在掃描電子顯微實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到絲狀DWNTs原始煙炱在連續(xù)受到外力作用下表現(xiàn)出很強(qiáng)的機(jī)械力學(xué)性能，雜亂無(wú)章的碳納米管逐漸變得取向有序；發(fā)現(xiàn)DWNTs管束的V型一維納米結(jié)結(jié)構(gòu)，每一個(gè)拐點(diǎn)處都存在一種特殊的納米異質(zhì)結(jié)，這種結(jié)構(gòu)形態(tài)的納米材料可能具有獨(dú)特的電子輸運(yùn)特性。此工作為碳納米管異質(zhì)結(jié)的可控制備以及新型

4、納米電子器件的構(gòu)建提供了新的思路。 3．基于單壁和雙壁碳納米管材料，成功制備出富勒烯分子高效率填充的豆莢型新型碳納米材料。通過(guò)高真空氣相擴(kuò)散的方法，成功地將富勒烯C<,60>分子填充到單壁碳納米管和雙壁碳納米管的管腔內(nèi)部，合成了C<,60>@SWNTs與C<,60>@DWNTs納米豆莢新型材料。利用高分辨透射電子顯微鏡研究了被填充到碳納米管內(nèi)的C<,60>分子與體相材料的結(jié)構(gòu)差異，發(fā)現(xiàn)C<,60>分子在DWNTs內(nèi)隨著DWNTs

5、管徑的不同具有不同的排列結(jié)構(gòu)，并直接觀測(cè)到一維直鏈型和雙層排列型的C<,60>分子排列結(jié)構(gòu)。這一結(jié)果很好地驗(yàn)證了前人的理論預(yù)測(cè)，為今后可控制備具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的碳納米材料提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 4．用拉曼光譜研究了CJ<,60>@DWNTs納米豆莢的性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)在激光照射下填充到DWNTs內(nèi)的 C<,60>分子容易發(fā)生雙分子聚合反應(yīng)；DWNTs管壁與內(nèi)部C<,60>分子之間具有弱的范得華力相互作用，并伴有電子轉(zhuǎn)移發(fā)生。這一發(fā)現(xiàn)使

6、得對(duì)碳納米管進(jìn)行電子給體或者電子受體攙雜以調(diào)控碳納米管的能帶結(jié)構(gòu)成為可能，亦為制備具有特殊電學(xué)性質(zhì)的電子器件奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。 5．制備了二茂鐵高效填充的雙壁碳納米管復(fù)合材料(Fc@DWNTs)。采用分子氣相擴(kuò)散的方法將有機(jī)小分子二茂鐵填充入DWNTs納米空腔內(nèi)部，制得高比例填充的Fc@DWNTs納米材料。紅外光譜研究結(jié)果表明，填充到DWNTs孔腔內(nèi)的二茂鐵與DWNTs之間存在強(qiáng)的范得華力相互作用，且二茂鐵容易將電子轉(zhuǎn)移給DWNT

7、s從而對(duì)其進(jìn)行n型摻雜。研究了Fc@DWNTs的電化學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)Fc@DWNTs表現(xiàn)出與Fc@SWNTs 不同的循環(huán)伏安電化學(xué)性質(zhì)，在低掃速情況下表現(xiàn)出薄層電化學(xué)行為，而在高掃速下表現(xiàn)為擴(kuò)散電化學(xué)行為。電化學(xué)結(jié)果表明，DWNTs可以作為分子導(dǎo)線連接填充在其內(nèi)部的二茂鐵與外部電極，這將為新型電化學(xué)傳感器的研制等提供有益的啟示。 6．利用熱重-質(zhì)譜聯(lián)用儀研究了二茂鐵在雙壁納米碳管空腔內(nèi)，即在納米限域空間內(nèi)的熱力學(xué)性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)二茂鐵在D

8、WNTs納米空間內(nèi)的熱力學(xué)分解溫度(540℃)比常規(guī)條件下(約500℃)有明顯提高，表明二茂鐵分子在納米限域條件下變得的更加穩(wěn)定，顯現(xiàn)出與不同于常規(guī)條件下的物理化學(xué)性質(zhì)。 7．以雙壁納米碳管為限域性模板，成功實(shí)現(xiàn)了三壁碳納米管的可控制備。以DWNTs為納米反應(yīng)模板，以填充入的二茂鐵充當(dāng)碳源與催化劑，發(fā)展了一種可控制備TWNTs的方法。用高分辨透射電子顯微鏡研究了內(nèi)層碳納米管的生長(zhǎng)機(jī)理，證實(shí)內(nèi)層碳納米管的生長(zhǎng)遵循根部生長(zhǎng)(Root