新储氢材料-碳纳米管共24页文档

碳纳米管材料的性能
电学性能
但是目前人们在制备碳纳米管时， 目前还无法按照所需的要求制备出具 有特定电学特性的碳纳米管[23]。仅这 一点，就使得碳纳米管在纳米电子学 的应用中仍然存在着一些必须尽早解 决的问题。为了改变这种状况，人们 正采用半导体材料改性的同样方法， 通过化学掺杂的方式来制备n 型或p 型的碳纳米管，以求控制和改变碳纳 米管的电子学特性。
碳纳米管材料的性能
力学性能
弹性：与金刚石的三维结构不同，碳 纳米管作为一维纳米材料可弯可拉具 有相当好的弹性[ 18 ]。通常碳纳米管 发生很大的拉伸变形，只要不发生原 子共价键发生断裂，通常碳纳都能完 全恢复到原来的状态[ 19]。实验表明碳 纳米管在拉升达原来长度的136%时 仍 然可以恢复到原来的样子[20]。而且 即使受到了很大的外加应力，碳纳米 管也不会发生脆性断裂 。
其中制备碳纳米管最为主 要的有三种方法，分别为：电 弧放电法、激光蒸发法和化学 气相沉积法(CVD)。其他还有热 解聚合物法、电解法、太阳能 法。
碳纳米管材料的制备
1石墨电弧法
最早制备CNTs的工艺方法是石墨电弧法，电弧实质上是一 种气体放电现象，其主要工艺是在真空反应室中充惰性气体(He、 NH4)，采用较细石墨棒作为阳极，粗大的石墨棒作为阴极，在 电弧放电的过程和高温的条件下，固体碳源蒸发并进行结构重 排，阳极石墨被蒸发消耗的同时阴极石墨上会沉积CNTs，从而 生产出CNTs。Iijima在1991年就是利用此法制各出的CNTs：石 墨电弧法具有简单快速的特点，而且所制各的CNTs管直，石墨 化程度高，但该法所产生的CNTs缺陷较多，而且CNTs烧结成束， 束中夹杂很多非晶态杂质。
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组长：计俊 小组成员：卜力敏、陆唯一、谢颍洁、 朱晨、李骏、李康斌

材料科学与化学工程学院
储 氢 材 料
The brief introduction of hydrogen storage materials
什么是储氢材料？
在一定的温度和压力条件下，能 可逆地吸收和释放氢气的材料，可 作为储氢材料。
储氢材料应具备的特点： 1、低释氢温度
2、吸收—放氢过程可逆
3、材料稳定，安全，无毒，低成本
储氢合金按组成元素的主要种类分为：镁系、稀土系、
钛系、锆系、铁系五大类。
按主要组成元素的原子比分为:AB5型、AB2型、AB 型、
A2B型，其中A是容易形成稳定氢化物的发热型金属元素，B 为难于形成氢化物的吸热型元素，且A原子半径大于B原子半 径。 A如：Ti、Zr、La、Mg、Ca、 Mm（混合稀土金属）等。
单壁纳米碳管束TEM 照片
多壁纳米碳管TEM 照片
2.2.2 碳纳米管材料的制备及研究方法 制备方法 电弧法 气相沉积法
低分子化合物
加载气（H2） 金属微粒催化剂
气相生长
1000~1400°C
碳纤维（或纳米管） 石墨化
2000~3000°C
表面处理
产品
石墨纤维 （或纳米管）
研究方法
有机液态氢化物主要包括苯、甲苯、萘等，人们现在主 要用苯及甲苯来储氢。
有机液体氢化物储氢的优、缺点
有机液体储氢技术与传统的储氢技术(深冷液化、金属氢化 物、高压压缩)相比具有以下优点：
①储氢量大 苯和甲苯的理论储氢质量分数分别为7.19%和 6.18%,比传统的金属氢化物、高压压缩的储氢量大得多。
MOF-5的吸附等温线78K
MOF-5的吸附等温线298K
温度、压力对其储氢性能的影响

分类：
离子液体修饰碳纳米管 、表面活性剂 （十二 烷基磺酸钠(SDS)和十二烷基苯磺酸钠 (SDBS) ）、聚间亚苯基亚乙烯（PmPV） 等
4 碳纳米管的基本性质
（1）力学性能：sp2杂化形成的C=C共价键是自然界 最强的价键之一，赋予碳纳米管极强的强度、韧性 及弹性模量，使碳纳米管具有优异的力学性能。由 于碳纳米管的纳米尺度和易缠绕的特点，直接用传 统实验方法测量其力学性能比较困难，因此最初对 碳纳米管力学性能的研究集中在理论预测上。
当今世界公开报道高质、高效、连续大批 量工业化生产碳纳米管的实例：沸腾床催化法、 化学气相沉积法
碳纳米管结构示意图
(A) 椅形单壁碳纳米管 (B) Z字形单壁碳纳米管 (C) 手性单壁碳纳米管 (D) 螺旋状碳纳米管 (E) 多壁碳纳米管截面图
（方A）法电和弧设放备电都法较：相其似方。法阴及极设采备用与厚制约备10Ｃmm60的， 直径约为30mm的高纯高致密的石墨片，阳极 采用直径约为6mm的石墨棒，整个系统保持 在气压约104Pa的氦气气氛中，放电电流为50 Ａ左右，放电电压20Ｖ。通过调节阳极进给速 度，可以保持在阳极不断消耗和阴极不断生长 的同时，两电极的放电端面距离不变，从而可 以得到大面积离散分布的碳纳米管，同时还可 能产生碳纳米微粒。
(D)激光法
机理:与电弧放电法类似，主要是将一根金属催化剂/ 石墨混合的石墨靶放置于一长形石英管中间，该管 则置于一加热炉内。当炉温升至1200℃时，将惰性 气体充入管内，并将一束激光聚焦于石墨靶上。石 墨靶在激光照射下将生成气态碳，这些气态碳和催 化剂粒子被气流从高温区带向低温区，在催化剂的 作用下生长成碳纳米管。
发现：1991年，日本学者Ijima和美国的Bethune 等人在掺加过渡金属催化剂的石墨电极间起弧放 电，并在制备产物中分别发现了单壁纳米管。

新材料碳纳米管专题报告目录一、碳纳米管是性能优异、具有巨大应用潜力的新材料 (3)1.1、碳纳米管：性能稳定的高分子纳米材料 (3)1.2、气相沉积法（CVD）是主要生产工艺，催化剂制备是核心难点 (4)1.3、比强度最高的人造材料，导电导热和储氢性能良好 (7)二、大规模商业应用集中在锂电池和导电塑料领域 (10)2.1、新能源领域：碳纳米管是优良的锂电池导电剂 (12)2.2、导电塑料领域：碳纳米管作为导电填料优势显著 (15)2.3、半导体领域：碳纳米管有望发挥巨大的作用 (16)三、伴新能源和5G 之风，碳纳米管迎来高速增长 (17)3.1、伴随新能源汽车高速发展，碳纳米管应用渗透率提升 (19)3.2、5G 手机电池高续航要求，碳纳米管导电剂需求增加 (23)3.3、电池导电剂国产化替代加速，碳纳米管更有用武之地 (26)四、国内产能全球领先，技术壁垒下市场集中 (27)4.1、中国碳纳米管产能处于世界领先水平 (27)4.2、伴随需求端爆发，行业处于良性复苏阶段 (28)4.3、催化剂铸就行业高壁垒，国内行业集中度高 (29)一、碳纳米管是性能优异、具有巨大应用潜力的新材料1.1、碳纳米管：性能稳定的高分子纳米材料碳纳米管最突出的结构特征是它由单层或多层石墨片围绕同一中心卷曲而成。

碳纳米管，英文简称CNT，属于富勒碳系,其长度为微米级,直径为纳米级，最富特征的一维纳米材料。

在宏观尺度上看，碳纳米管是黑色粉末，在微观尺度上，碳纳米管是由同轴碳管组成的碳分子。

每层碳管由碳原子按六边形密铺而成，与石墨烯的层状结构类似，层与层之间则保持约0.34nm 的固定距离。

碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定得多，是目前已知的熔点最高的材料。

碳纳米管根据不同的特征分为不同的类别，商业化角度通常按管壁的层数和导电性对其进行分类。

按照碳管的层数，碳纳米管可以分成单壁碳纳米管和多壁碳纳米管；就其导电性而言,碳纳米管可以是金属性的,也可以是半导体性的,甚至在同一根碳纳米管上的不同部位也可以呈现出不同的导电性。