碳納米管表征

《碳納米管表征》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。

1、碳納米管材料的結(jié)構(gòu)形態(tài)表征摘要碳納米管(CNTs)不僅具有獨(dú)特的一維管狀納米結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是迄今為止發(fā)現(xiàn)的唯一同時(shí)具備超高機(jī)械力學(xué)性能、熱性能和電性能的先進(jìn)材料。本文首先總結(jié)了碳納米管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，接著對(duì)X射線(xiàn)衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）對(duì)碳納米管結(jié)構(gòu)形態(tài)的表征作了簡(jiǎn)要的闡述。關(guān)鍵詞碳納米管結(jié)構(gòu)形貌XRDSEMTEM1前言碳納米管，又名巴基管，主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管組成，是1991年由日本電鏡學(xué)家飯島發(fā)現(xiàn)的。一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，便在各個(gè)領(lǐng)域掀起了碳納米管的研究熱潮，研究的內(nèi)容包括

2、：碳納米管的制備、性能及應(yīng)用。通過(guò)研究人們發(fā)現(xiàn)氣相沉積法可以大規(guī)模地合成碳納米管，使得碳納米管的成本得到有效的降低，這也為碳納米管的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。碳納米管(CNTs)不僅具有獨(dú)特的一維管狀納米結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是迄今為止發(fā)現(xiàn)的唯一同時(shí)具備超高機(jī)械力學(xué)性能、熱性能和電性能的先進(jìn)材料。作為一種高性能的納米材料，碳納米管在材料科學(xué)、傳感技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)等方面具有廣泛的應(yīng)用前景，如作為工程材料的增強(qiáng)相、制作各種分子器件仞、生物、化學(xué)傳感器、分子探針閻以及作為儲(chǔ)氫、儲(chǔ)能材料等。但是由于CNTs之間強(qiáng)烈的范德華力存在以及CNTs大的長(zhǎng)徑比以及它

3、的單空位缺陷，使得CNTs往往集結(jié)成束，而且由于CNTs本身所具有的難溶性和難處理性，使用完整的CNTs來(lái)構(gòu)筑先進(jìn)的器件仍然是一個(gè)難題。近年來(lái)，越來(lái)越多的科研人員開(kāi)始從事碳納米管的功能化的相關(guān)工作，研究探討碳納米管的表征就顯得相當(dāng)重要。2碳納米管的結(jié)構(gòu)及其XRD表征2.1碳納米管的原子結(jié)構(gòu)碳納米管是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料，可看作是由片層結(jié)構(gòu)的石墨卷成的無(wú)縫中空的納米級(jí)同軸圓柱體，兩端由半個(gè)富勒烯分子封項(xiàng)。根據(jù)碳納米管管壁的層數(shù)，碳納米管可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管，單壁碳納米管可看成是由單層片狀石墨卷曲而成的圓柱結(jié)構(gòu)，而

4、多壁碳納米管可理解為多個(gè)不同直徑的單壁碳納米管相互嵌套而成，各管壁間間距約0.34nm。另外，根據(jù)石墨層的卷曲方式的不同，單壁碳納米管可分為扶手椅型納米管(armchair)、鋸齒型納米管(zigzag)和手性納米管(chiral)，如圖1.1所示。圖1.1不同手性的單壁碳納米管結(jié)構(gòu)示意圖圖1.2石墨烯六邊網(wǎng)格的卷曲示意圖碳管的結(jié)構(gòu)和性能由它們的直徑d和手性角θ來(lái)決定，如圖1.2所示在石墨烯平面中，碳原子構(gòu)成六邊形網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，運(yùn)用矢量計(jì)算得到碳管直徑和手性角為：從上式可看出，當(dāng)θ=0°或30°時(shí)，分別為鋸齒型和扶手椅型碳管，這兩者都

5、是非手性管，當(dāng)θ為其他值時(shí)，碳管均是手性管。與單壁碳納米管用兩個(gè)結(jié)構(gòu)指數(shù)和手性角就能確定其結(jié)構(gòu)不同，多壁碳納米管的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，往往需要三個(gè)以上結(jié)構(gòu)參數(shù)才能確定其基本結(jié)構(gòu)(除了直徑和螺旋角外，還需考慮層間距以及不同層間的六角環(huán)排列關(guān)系等)。對(duì)于多壁碳納米管，人們進(jìn)行了多種理論和實(shí)驗(yàn)研究來(lái)確定其基本結(jié)構(gòu)。2.2XRD對(duì)碳納米管的結(jié)構(gòu)表征X射線(xiàn)衍射(x-raydiffraction，XRD)主要用于分析材料的成分、材料內(nèi)部原子或分子的結(jié)構(gòu)或形態(tài)等信息。XRD可作為納米制備中相的鑒別，例如TiO2納米粉在不同的熱處理溫度下生成不同的相。實(shí)

6、驗(yàn)表明在200~600℃熱處理?xiàng)l件下，以銳鈦礦相出現(xiàn)，而在800℃時(shí)，則轉(zhuǎn)化為金紅石相。這都可以從相應(yīng)的XRD的峰強(qiáng)、2θ衍射角和對(duì)應(yīng)的晶面得到鑒別。但在700℃處理時(shí)則得混合的衍射峰，說(shuō)明銳鈦礦相和金紅石相共存于納米晶中。在比較碳納米管與石墨粉末的衍射結(jié)果發(fā)現(xiàn)，它們的2θ值相差很少，碳納米管(002)峰值對(duì)應(yīng)25.94°，而石墨的(002)峰值對(duì)應(yīng)26.3°，說(shuō)明碳納米管內(nèi)部可能會(huì)含有部分非晶碳相或少量的石墨相，這些相的存在影響了碳納米管的衍射特征。Kawasaki等網(wǎng)通過(guò)XRD以及TEM研究碳納米管和C60在高溫高壓下的變化。Y

7、uan等在多壁碳納米管上接枝上聚酰胺鏈后再沉積銀粒子以研究碳納米管在抗菌劑方面的應(yīng)用。Yuan對(duì)接枝了聚酰胺鏈的碳納米管和沉積了銀粒子后的碳納米管進(jìn)行XRD測(cè)試，接枝了聚酰胺鏈的碳納米管在26.24°和42.58°處有峰出現(xiàn)，沉積了銀粒子后的碳納米管的XRD譜圖除了在26.24°和42.58°處有峰出現(xiàn)外，在38.54°，43.9O°，64.72°和77.39°處都有峰出現(xiàn)，是由于金屬銀粒子的立體對(duì)稱(chēng)晶型導(dǎo)致的。X射線(xiàn)衍射是測(cè)量納米微粒的常用手段。它不僅可確定試樣物相及其相含量，還可判斷顆粒尺寸大小。當(dāng)晶粒度小于100nm時(shí)，由于晶

8、粒的細(xì)化可引起衍射線(xiàn)變寬，其衍射線(xiàn)的半高峰處的寬化度β與晶體粒大小（D）有如下關(guān)系：D=Rλ/βcosθ其中式中D為粒子直徑，R為Scherrer常數(shù)（0.89）,λ為入射X光波長(zhǎng)（0.15406nm），θ為衍射角，β為衍射峰的半高峰