定向碳納米管陣列的低壓制備及其應(yīng)用研究.pdf

1、1991年，日本科學(xué)家Iijima利用真空電弧蒸發(fā)石墨電極，通過(guò)高分辨電鏡對(duì)其產(chǎn)物進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了具有納米尺寸的碳的多層管狀物，即多壁碳納米管(MWNTS)。該發(fā)現(xiàn)立即得到了物理界、化學(xué)界和材料科學(xué)界以及高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)部門(mén)的廣泛關(guān)注，在科學(xué)界掀起了繼C<,60>后又一次研究高潮。因其尺寸小、機(jī)械強(qiáng)度高、比表面積大、電導(dǎo)率高、界面效應(yīng)強(qiáng)等特點(diǎn)，在平板顯示器、一維量子導(dǎo)線、傳感器、超級(jí)電容器以及儲(chǔ)氫材料等方面得到了廣泛的應(yīng)用。碳納米管獨(dú)特的原

2、子結(jié)構(gòu)使其表現(xiàn)出金屬或半導(dǎo)體特性，利用這種獨(dú)特的電子特性，可以將碳納米管制成電極。碳納米管的表面效應(yīng)，即直徑小、表面能高、原子配位不足，使其表面原子活性高，易與周圍的其它物質(zhì)發(fā)生電子傳遞作用，在電催化和電分析化學(xué)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。定向直立碳納米管(ACNT)是碳管的一種取向形態(tài)，其生長(zhǎng)密度大，相互之間的分離性好，比雜亂無(wú)章排列并燒結(jié)在一起的碳管更易分散和應(yīng)用。 以石英玻璃為基底根據(jù)制備方法的不同，碳納米管的定向生長(zhǎng)可以分

3、為模板法和自組織生長(zhǎng)法，模板法一般采用氧化鋁等多孔材料，通過(guò)模板的限制作用，使碳納米管只能按照一定的方向生長(zhǎng)。自組織定向生長(zhǎng)法通過(guò)控制催化劑在基底上的分布，從而獲得碳納米管的自組織定向生長(zhǎng)，具有方法簡(jiǎn)單，可以批量制備等優(yōu)點(diǎn)，是目前制備定向碳納米管的熱點(diǎn)，而如何獲得具有排列一致且長(zhǎng)度和直徑可控，高質(zhì)量的碳管則是定向陣列化碳納米管制備及應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題。 本論文以酞菁鐵為制備原料，利用其裂解可以同時(shí)提供碳源和催化劑，在低壓條件下，采

4、用化學(xué)氣相沉積法在石英基底上成功地制備出優(yōu)質(zhì)的直立碳納米管，有效地降低了實(shí)驗(yàn)成本，提高了原料的利用率和碳納米管的純度，并利用其獨(dú)特的性質(zhì)，將這種大面積的定向碳納米管陣列應(yīng)用于電化學(xué)生物傳感器的設(shè)計(jì)中，為實(shí)際樣品提供了一種快速、靈敏、準(zhǔn)確的檢測(cè)方法。 論文分為三章： 第一章緒論 首先介紹了碳納米管的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，以及定向碳納米管陣列的獨(dú)特性質(zhì)。接著介紹了定向碳納米管陣列的制備方法和生長(zhǎng)機(jī)理，著重介紹了采用化學(xué)氣相沉積

5、法制備碳納米管的分類及機(jī)理。最后介紹了碳納米管在傳感器、電極材料以及場(chǎng)發(fā)射顯示器件等方面的應(yīng)用。 第二章低壓下酞菁裂解法制備定向碳納米管陣列本章介紹了在低壓條件下采用酞菁鐵高溫裂解法，在750～1000℃，以石英玻璃為基底，制備大面積高度定向的碳納米管的方法。該法制備的碳納米管平均長(zhǎng)度20μm，管徑40～70 nm，為竹節(jié)狀結(jié)構(gòu)的多壁碳納米管。實(shí)驗(yàn)研究了不同制備參數(shù)以及不同基底對(duì)定向碳納米管生長(zhǎng)的影響，并對(duì)生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行了探討。通

6、過(guò)對(duì)該碳納米管進(jìn)行場(chǎng)發(fā)射測(cè)試，發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟電壓僅為0.67 V·μm<'-1>(I=1 μA)，閾值電壓為2.5V·μm<'-1>，具有良好的場(chǎng)發(fā)射性能。 第三章硫堇/定向直立碳納米管修飾電極電化學(xué)催化氧化法測(cè)定亞硝酸鹽本章介紹了將硫堇修飾的定向碳納米管制備成微電極，在酸性緩沖溶液中研究亞硝酸根在該電極上的電化學(xué)氧化行為。此電極對(duì)亞硝酸根的氧化表現(xiàn)出很好的電化學(xué)催化特性。文中對(duì)硫堇一定向碳納米管修飾電極電化學(xué)催化氧化亞硝酸鹽的機(jī)理進(jìn)