1、毕业论文开题报告 高分子材料与工程 纳米碳管的制备 一、选题的背景和意义 纳米碳管 (Carbon nanotube) 是 1991 年才被发现的一种碳结构。理想纳米碳管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体。石墨烯的片层一般可以从一层到上百层 , 含 有 一 层 石 墨 烯 片 层 的 称 为 单 壁 纳 米 碳 管 ( Single walled carbon nanotube ,SWNT) ， 多于一层的则称为多壁纳米碳管 ( Multi2 walled carbon nanotube , MWNT) 。 SWNT 的直径一般为 1 6 nm ， 最近的研究发现纳米碳管的最小直
2、径为 0.4 nm 和直径为 0.36 nm 的碳管 ， 但是很不稳定 ， 同样直径大于 6 nm 的 SWNT 也不稳定 ，会发生 SWNT 管的塌陷。纳米碳管长度则可达几百纳米到几个微米。因为 SWNT 的最小直径与富勒烯分子类似 ， 故也有人称其为巴基管或富勒管。 MWNT 的层间距约为 0. 34 nm ,直径在几个纳米到几十纳米 ， 长度一般在微米量级 ， 最长者可达数毫米。由于纳米碳管具有较大的长径比 ， 所以可以把其看成为准一维纳米材料。纳米碳管中的碳原子以sp2 杂化 ， 但是由于存在一定曲率 ， 所以 其中也有一小部分碳属 sp3 杂化。在不考虑手性的情况下 ， SWNT 可
3、以由两个参量完全确定 (直径和螺旋角或两个表示石墨烯的指数( n , m) 或者螺旋向量 Cn 和垂直向量 T) ， MWNT 则需要三个以上的参数表示。 纳米碳管研究是富勒烯 ( C60 ,C70. . . ) 的继续 ， 1991 年 ， 理论预计纳米碳管具有许多的奇特电学性能 ， 几乎同时 NEC 公司 S Iijima 在高分辨电子显微镜下观察采用电弧法制备的富勒烯中发现了一种管状结构 ， 经过研究表明它们是同轴多层富勒管 ， 被称为多壁纳米碳管 ， 随后 NEC 公 司的 TW Ebbesen 和 PM Ajayan 通过改进实验条件获得较多 MWNT。实际上早在 70 年代已开始
4、MWNT 的研究 ， 当时科学家在研究气相热解碳的过程中 ， 经观察到这种纳米结构的碳 ， 然而没有引起足够的重视和深入研究。 1993 年S. Iijima 和 IBM 公司同时报道了观察到 SWNT。在早期实验中 ， 电弧法制备。 SWNT产率很低 ,而且杂质较多。所以在 Rice 大学的 Richard Smalley 研究小组发现激光蒸发方法可以得到极高产率的 SWNT 以后 ， 开始了 SWNT 的物理性质的研究。此后 ， 法国Montpellier 大学的 Bernier 研究小组采用电弧法也可以得到高产率的 SWNT。 1998 年 ，中国科学院金属研究所成会明研究小组采用催化热
5、解碳氢化合物的方法得到较高产率1 的 SWNT。由于 SWNT 结构比较简单 ， 理论研究也比较容易 ， 所以开始了对纳米碳管的广泛研究。 二、研究目标与主要内容 （含论文提纲） 以化学气相沉积法（ CVD）制备纳米碳管，通过单因素法考察制备纳米碳管的影响因素。具体研究思路与目标如下： （ 1） 以负载型氧化铁和负载型氧化镍作为催化剂，以甲苯和正己烷为碳源，以氮气为载气，采用 CVD 法制备纳 米碳管。 （ 2）对纳米 碳管的 结构特点进行表征 和 分析， 掌握其生长机理和影响因素。 （ 3）优化 合成 工艺， 确定最优工艺条件。 论文提纲：第一章 文献综述 第二章 实验方法及方案 第三章 实
6、验结果与讨论 1. 考察碳源种类对纳米碳管的影响。 2. 催化剂种类对纳米碳管的影响。 3. 反应温度对纳米碳管的影响。 4. 载气流量对纳米碳管的影响。 第四章 结论 三、拟采取的研究方法、研究手段及技术路线、实验方案等 采用甲苯和正己烷两种碳源，通过化学气相沉积（ CVD）法来制备纳米碳管。采用透射电镜技术对产品进行分析评价。 实验方案：实验在立式固定床反应器中进行。实验前，采用高纯氮气吹扫反应体系，以烃类作为碳源，以负载型氧化铁和负载型氧化镍为催化剂， 调节原料炉和反应器的温度 ，以 N2为载气，携带原料蒸汽进入反应器。 实验主要考察碳源种类、催化剂种类、反应温度和载气流量等因素对纳米碳
7、管的形貌和产量的影响，以确定最优工艺条件。 四、中外文参考文献 目录 1 Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbonJ. Nature, 1991, 354(6348): 56-58. 2 A jayan P M. N ano tubes from carbonJ. Chem Rev, 1999, 99:17-87. 3 张继红 , 魏秉庆 , 梁吉 , 等 . 激光熔覆巴基管 /球墨铸铁的研究 J. 金属学报 , 1996, 2 12(9): 980-984. 4 王淼 , 李振华 , 鲁阳 , 等 . 纳米材料应用技术的新进展 J.
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13、翻译 2010.12.10 至 2011.01.05 完成开题报告准备开题 实验前期准备与摸索实验 2011.01.05 至 2011.01.31 考察不同催化剂对纳米碳管产率的影响 2011.02.01 至 2011.02.13 考察 温度对纳米碳管产率的影响 2011.02.14 至 2011.02.28 考察载气流量对纳米碳管的影响 2011.03.01 至 2011.03.15 选择最优条件，制备纳米碳管 完成论文初稿 2011.03.16 至 2011.03.31 毕业论文撰写 2011.04.01 至 2011.04.20 六、研究的主要特点及创新点 在本课题中主要研究了碳源在不同催化剂上生长的纳米碳管产率，通过改变温度和载气流量，找出纳米碳管的制备的最优条件。 传统的 CVD 法制备纳米碳管多采用 卧式磁舟反应器，本实验采用立式固定床反应器，它则是通过石英砂将催化剂置于石英管的恒温段 ， 在适当的温度下通入碳源气 ， 在催化剂表面发生催化裂解反应生成纳米碳管。此法的优点 是反应气和催化剂床层接触充分 ， 反应完全 ， 催化剂能得到充分的使用 ， 从而达到较高的产率 ， 且产物易于回收。
