碳纳米馆材料的发展与运用

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碳纳米管结构及其表面形貌

碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料，其径向尺 寸为2-20nm量级，管两端基本上都是封口的，其主要由 呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管，即 碳纳米管的壁层是 由六边形网格组成的圆柱面, 且 C C 原子之间通 过 sp2 杂化构成共价键, 因此碳纳米管沿轴向有极高 的拉伸强度。碳纳米管直径一般在几纳米到几十纳米 之间, 长度为几个至几十微米, 而且碳纳米管的直径 和长度随制备方法及实验条件的变化而不同。实际制 备的碳纳米管并不完全是笔直、均匀的, 而局部出现 凹凸弯曲现象, 这是由于在碳六边形网格中引入了五 边形和七边形缺陷所致。当出现五边形时, 由于张力 的关系导致碳纳米管凸出, 如果五边形正好出现在碳 纳米管顶端, 即形成碳纳米 管封口, 当 出现七边形 时, 碳纳米管则凹进。
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碳纳米管和RuO2复合电极的表征

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碳纳米管常用表征方法汇总

碳纳米管形貌分析——扫描电子显微镜(scanning electron microscopy，
SEM)、透射电子显微镜 （transmission electronmicroscope，TEM）和原子力 显微镜（atomic force microscope，AFM）都是在碳纳米管研究工作中常用的表 征手段，它们常用于观察碳纳米管或者其相关材料的形貌特征。Lee等通过高倍 SEM观察其经过特殊方法处理后得到的 Fe 粒子催化剂（直径为9nm）。另外， Lee 还分别列出了由在空气和 H2 中经过不同加热时间后的 Fe 催化剂制备的阵 列碳纳米管的 SEM 的比较图，说明在空气和在H2中加热时间对合成阵列碳纳米 管的影响，让人一目了然。在对碳纳米管的功能化研究表征工作中，SEMTEM 和AFM是常用的方法，碳纳米管经功能化修饰后，表面会附上一层物质，可通过 SEM或者TEM观察。纯的碳纳米管之间的相互作用力使得它在溶剂中的分散性 很差，通过TEM可以观察到经功能化后的碳纳米管从聚集的状态脱落下来，解束 成单根存在，而且能明显的看到碳纳米管的表面覆盖了一层物质而变得粗糙不平， 通过AFM也能观察到修饰后碳纳米管的直径变大了，说明进行修饰后，碳管的表 面接上了基团。 SEM,TEM 和 AFM 还经常用于测量碳纳米管的长度和直径以及 相关方面的长度信息，通过这些长度信息可以得到碳纳米管功能化修饰的相关信 息。
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碳纳米管和RuO2复合电极的表征

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碳纳米管和RuO2复合电极的表征

图 4 是碳纳米管上粘附 Ru O2.x H2O 的透射电子显微镜照片. 根据 Zhe n g的分析, 反应沉淀过程中不停搅拌, 并在 1 50 e 左右干燥退火所得到的 Ru O2.xH2O 为非晶 态. 在我们的实验中, 在反应沉淀过程中由于碳纳米管表面提供 Ru O2.x H2O 形核的 基底, 所以形成非晶 R uO2.xH2O 和纳米晶的混合体. 随着 Ru O2.x H2O 的加入量 的增多, R uO2.xH2O 向非晶态转变. 图 5为两种不同含量 Ru O2.xH2O 的 X 射线衍 射图. 当 R uO2.xH2O 的含量由 45% 增为 75% 时,Ru O2.xH2O 几乎成为完全非晶. 晶态 Ru O2 的比电容为 340 ~ 3 80 F/ g, 而非晶态 R uO2.x H2O的比电容最大可达 720 F/ g. 对由碳纳米管和 Ru O2.xH2O 构成的复合电极来说, 随着 Ru O2.xH2O 加 入量的增大, R uO2.xH2O 逐渐向非晶态转变, 并且由于碳纳米管的比电容远小于 Ru O2.xH2O 的比电容, 所以复合电极比电容显著增大. 但是, 由于碳纳米管RuO2.xH2O 提供高比表面的基底, 所以复合电极中保留一定量碳纳米管, 使电容器在大电流放电 时功率特性变好. 图 6 是复合电极的比电容随 Ru O2.x H2O 含量变化曲线, 表明随着 RuO 2#x H2O 的增多, 复合电极的比电容增大. 但是如前面所述, R uO2#xH2O 的含量增多会恶化 电容器大电流放电的特性. 所以, 最佳 Ru O2.xH2O 的含量为 5 5% ~ 75% , 这种组 分的复合电极同时具有高比电容和功率密度.
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碳纳米管的比表面积

碳纳米管具有大的比表面积、 分子尺寸孔洞, 可做选择 性吸附剂, 进行物理吸附、 化学吸附 、 均相溶液中吸附, 也可 做催化剂载体。N. M. R odri guez[ 1]用 所制 纳米 管在 - 196 e 对 N2 进行吸附, 表面 积用 BET 方 程进 行计 算, 在 250m2/g左右。Me guro 等 在 I2/g KI 溶液中, 用 碳纳米管 做吸附 剂, 发现只有 I2 被 吸附, 结果 如图 1 所 示。表 面 积 在 350m 2/ g 左右, 所得值 大于 250m2/g( 由吸 附 N2 所 得) , 表明对 I 2 吸 附时, 除了单层物理吸附外, 还进行了 化学吸附。
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碳纳米管及其结构表征

Contents

碳纳米管材料的结构及其表面形貌
单层碳纳米管和多层碳纳米管
碳纳米管的超级电容性及其表征
基于扫描电子显微镜对碳纳米管复合材料的表征
常见碳纳米管的表征方法汇总
Company Lo级电容器

Text 超级电容器( Supercapacitors) 又称电化学电容器( Electrochemical Capacitors) 或者双电层电容器( ElectricDoubleLayer Capacitors) ， 它 是一种介于传统电容器和电池之间的新型储能元件，与传统电容器相比具有 更高比电容量和能量密度，与电池相比则具有更高的功率密度。由于超级电 容器具有充放电速度快对环境无污染和循环寿命长等优点，有希望成为本世 纪新型的绿色能源电极材料是超级电容器的重要组成部分，是影响超级电容 Text 器电容性能和生产成本的关键因素，因此研究开发高性能低成本的电极材料 是超级电容器研究工作的重要内容。目前研究的超级电容器的电极材料主要 有炭材料金属氧化物及其水合物电极材料和导电聚合物电极材料碳纳米管 Text ( CNT) 碳纳米管( CNT) 具有独特的中空结构良好的导电性高比表面积化学稳定 Text 性适合电解质离子迁移的孔隙以及交互缠绕可形成纳米尺度的网络结构等优 点，因此其作为电极材料可以显著提高超级电容器的功率特性，被认为是理 想的超级电容器电极材料，成为近年来的研究热点，并有不少有关基于CNT的 超级电容器研究的综述报道。本文重点对近几年来在开发CNT作超级电容器的 电极材料研究领域中对CNT的活化和提高CNT的分散性CNT与过渡金属氧化物复 合材料CNT与导电聚合物复合材料以及CNT与石墨烯复合材料研究的新进展进 Text 行综述。
基于透射电子显微镜表征的碳纳米管的表面形貌

图 1 显示催化裂解法制备的碳纳米管的透射电子显微镜形貌像. 碳纳米管直径为 10~ 30 nm, 长度为几个微米, 管与管互相缠绕在一起. 经过硝酸处理后, 粘附在碳纳米管端部的催 化剂颗粒被去掉, 有些管端部开口.图 2 是热压工艺制备的碳纳米管固体电极的扫描电子显 微镜照片. 碳纳米管互相缠绕在一起, 从而在碳纳米管之间形成相互连通的网络孔隙, 硫酸 电解液可以被吸附在这些孔隙中和碳纳米管表面, 形成双电层电容.
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单层碳纳米管和多层碳纳米管

按所含有石墨层数的不同, 碳纳米管可分为单层 碳纳米 管 ( S i ngl e -wa ll Ca r bon Nan ot ube 简 写 为 SWC N T ) 和多层碳纳米管 ( Mult - i wal l Ca r b on Na no tu be 简写 为 MWC - N T) , 两者的物理性质都与它们的结构有密 切关系。碳纳米管由层状结构的石墨片卷曲而成, 因 卷曲的角度和直径不同, 其结构各异: 有左螺旋的、 右螺旋的和不螺旋的。由单层石墨片卷成的称为单壁 碳纳米管, 多层石墨片卷成的称为多壁碳纳米管。两 者的存在形式主要取决于制备方法和条件的不同。与 多壁碳纳米管相比, 单壁碳纳米管的直径大小的分布 范围小, 缺陷少, 均匀一致性更高。
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基于扫描电子显微镜对碳纳米管复合材料的表征

Reddy等和Shaijumon等利用氧化铝模板依次沉积Au MnO2管，再利用化学气相 沉积法在MnO2管中生长出CNT，制备出了多段Au-MnO2/CNT同轴阵列( 如图2 所示) 依次沉积制备的Au-MnO2/CNT材料与没有沉积Au的MnO2/CNT材料相比， 其比电容从44F/g提升至68F/g，功率密度从11kW/kg提高至33kW/kg Au-MnO2 /CNT材料经过1000次充放电过程后依然保持了良好的性质。
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基于扫描电子显微镜对纸电池进行的表征

Liu等通过浮动催化化学气相沉积法制备了多层纸状CNT材料如图1A～1C所示， 这种多层纸状CNT呈书页状整齐排列因此，作者将这种材料称之为buckybook buckybook的每一页由CNT互相纠结连接组成( 如图1D～1F所示) ， buckybook的 层数和每层的厚度可通过改变气相沉积反应条件进行控制测得SWCNTbuckybook 的比电容约100F/g，电阻约4.3 /m 2。Hu等将十二烷基苯磺酸钠和CNT溶解在蒸馏水中制成特殊墨水，涂在纸张上 制成纸电池，由于纸张的多孔结构具有很大的比表面积，又能产生巨大的毛细管 力，这样有助于纸张吸附CNT并能与CNT牢固地结合这种纸的电阻仅约1 /m 2，比电容和功率密度则分别高达200F/g和200kW/kg
碳纳米管的超级电容性及其表征-超级电容器