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《汕头大学》 2005年
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纳米碳管的可控制备及生长机理的研究

陈蓓  
【摘要】:为了实现纳米碳管的可控生长以及进一步了解纳米碳管的催化生长机制,本文分别用 两种不同的方法(即:悬浮-催化法、磁控溅射法)制备催化剂生长纳米碳管。通过系统研 究和分析这两种方法制备出的纳米碳管,得到的主要内容和研究结果如下: 利用氯化铁为催化剂前驱体,结合悬浮催化剂法和基体法的优点,采用一种我们称之 为悬浮-基体的新方法在700℃制备出了管壁清洁、直径均匀的纳米碳管。同时讨论了经 过不同时间氢气预处理的催化剂铁颗粒对生长纳米碳管直径和缺陷的影响,发现氢气预处 理时间越长制备的纳米碳管直径分布越均匀,缺陷越少。实验显示该方法很有希望实现纳 米碳管廉价、大批量生产。 利用磁控溅射不同厚度比例的Ni-Cr合金为催化剂,采用热化学气相沉积法,在700 ℃分解乙炔制备出了高密度、阵列程度好地纳米碳管。通过扫描电子显微镜表征纳米碳管 的密度和阵列,发现随着Ni和Cr厚度比例的减小制备纳米碳管的密度增加,阵列程度变 好。另外通过高分辨电子显微镜和X射线能量散射谱对包裹在纳米碳管中的催化剂颗粒分 析发现,纳米碳管中的催化剂颗粒是单质Ni。最后,提出了一个纳米碳管的生长模型:Ni 作为催化剂催化生长纳米碳管,cr作为分散剂有效阻止催化剂团聚,通过控制合金中Ni 和Cr的厚度比例,能有效地控制纳米碳管的密度和阵列。这对于更好地理解催化剂的性 能及在工艺上可控地制备高密度、阵列程度好地纳米碳管都很有启发意义。 对于溅射厚度比为Ni:Cr=3:1的合金为催化剂,温度在650℃-900~C之间制备得多壁纳 米碳管进行了较为深入的分析。通过透射电子显微镜对制备产物地研究发现,在 650℃~800℃条件下有大量纳米碳管生成,650℃制备的纳米碳管中没有发现内孔填充有物 质,700℃-800℃之间生长的纳米碳管内孔填充有一些离散分布的衬度深的线状物质。 900℃没有纳米碳管生成。高分辨透射电子显微镜和X射线能量散射谱分析发现,纳米碳 管中内壁填充的线状物是金属单质Ni,并且从高分辨图象中可以看到填充的Ni纳米线两 端呈球形液滴状,因此推断纳米线是以液态或是粘滞液态填充进纳米碳管。通过对实验结 果的分析首次提出了一个生长纳米碳管和金属纳米线的V-S/L-S(Vapor-Solid/Liquid-Solid) 生长模型:在制备纳米碳管的过程中,起催化作用的是以固态形式存在的催化剂Ni颗粒, 液态Ni不具备催化能力,但它是形成管中填充金属纳米线的原因。在高温下生长纳米碳 管的过程中催化剂表面不断液化,液化的催化剂不断地填充进纳米碳管中,固体催化剂核
【学位授予单位】:汕头大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:TB383

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