碳纳米材料的硫化
碳纳米材料的硫化[20191223193001]
摘 要
近十年前，由于在1991年他们观察的第一个自然石墨碳，碳纳米管一直是大量研究的焦点。许多研究者已经报道一直显着这种新形式的碳的物理和机械性能。掺杂异质原子，是一种调控碳纳米管材料电子性能及化学反应活性的有效方法。本研究通过溶胶凝胶法，化学气相沉积法等成功制得了硫（S）掺杂碳纳米材料。扫描电子显微镜（SEM）、振动样品磁强计（VSM）、光电子能谱（XPS）的分析结果表明，硫原子被成功地掺入到了碳纳米材料结构中。我们的方法提供了一种简单有效的途径合成S掺杂碳纳米材料，为掺杂碳纳米材料的研究开辟了新思路。
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:硫掺杂石墨烯碳纳米管
目 录
1. 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 碳纳米管的结构和形貌 2
1.3 纳米管的形态 4
1.4碳纳米管复合材料的加工 5
2.表征方法 10
2.1材料的制备 10
2.1.1溶胶凝胶法 10
2.1.2化学气相沉积法 10
2.2材料的表征 10
2.2.1 扫描电子显微镜（SEM） 10
2.2.2 振动样品磁强计（VSM） 11
2.2.3光电子能谱（XPS） 11
3.实验结果 12
3.1 材料的制备 12
3.2 碳纳米材料硫化的表征 13
3.3小结 19
4.致谢 20
参考文献 21
1
一.绪论
自十年前第一个观察到碳纳米管以来，碳纳米管一直是大量研究的焦点。许多研究者已经报道一直显着这种新形式的碳的物理和机械性能。从独特的电子特性和热导率上比金刚石的机械性能如更高比如刚度，实力和应变能力超过任何现有的材料，碳纳米管的报价为也从根本上为新的材料体系的发展也有了了巨大的机遇。特别是碳纳米管的优异的机械性能，加上其密度低，提供范围为碳纳米管的发展增强复合材料。加固的碳管纳米复合材料有非凡的比刚度和强度潜在代表21世纪的应用巨大的机会。
1.1引言：
在20世纪80年代中期，Smalley和同事在莱斯大学开发富勒烯的化学产品，富勒烯是指组成的六边形和五边形面个碳原子的几何笼状结构。形成于所述第一闭合时，凹凸结构是C60分子。以著名的设计球形建筑设计师的名字命名，R. Buckminster Fuller，富勒烯是60个碳原子，其中一个五边形的每一侧是一个六边形的类似足球的相邻侧的封闭笼（C60的分子通常被称为巴基球）[2].几年后，他们的发现导致了碳纳米管的合成。纳米管是细长的富勒烯，其中所述管的壁是六方碳（石墨结构）而且往往在每一端封顶。碳的这些笼状的形式已显示出特殊的材料性质呈现结果是其对称结构的。许多研究者已经报道的碳纳米管超过那些以前存在的任何材料的机械性能。虽然在文献上的碳纳米管有不同的报道，但理论和实验结果的确切已经表明非常高的弹性模量性质，大于1 TPA（金刚石的弹性模量为1.2 TPA）及所呈报优势比最强钢的一小部分重量高10-100倍。事实上，如果所报告的机械性能是准确的，碳纳米管可能展示一个新类的先进材料。若要解除锁定应用在碳纳米管聚合物纳米复合材料的的潜力，必须充分理解上面的碳纳米管的碳纳米管的弹性和断裂性以及相互作用力/矩阵接口。尽管这种要求是不同于已经从微米变化到纳米传统的纤维增强复合材料增强直径的规模。（例如玻璃纤维和碳纤维）
除了与碳纳米管相关联的特殊的的机械性能，它们还掌握优异的热和电性能：在真空热到2800下稳定，大约金刚石的两倍高，电流承载能力比铜线高出1000倍[4]。碳纳米管的这些特殊性质进行了研究用于诸如场致发射显示器的设备[5]
显微镜扫描探针的技巧[6]和微电子器件[7,8]。在本文中，我们提供的工艺是表征和碳纳米管及其复合材料建模的最新研究进展的概述。一些意见的目的并不是很全面，因为我们的重点是朝着宏观结构材料的发展利用碳纳米管的优异的机械性能。事实上，碳纳米管的特殊物理性能也存在机遇，大力发展多功能纳米管复合材料提供量身定制的物理和机械性能。
1.2碳纳米管的结构和形貌
碳纳米管可以看作石墨的片材已被卷成管。不同于金刚石，其中一个3-D金刚石立方晶体结构形成由布置在四面体4个最近邻的每个碳原子组成，石墨被形成为排列成六边形阵列的2-D碳原子。在这种情况下，每个碳原子最近邻的有3个。石墨的“滚石”片成圆筒形成碳纳米管。碳纳米管的性质取决于原子排列（石墨片的滚动），管的直径和长度和形态或者纳米结构。纳米管存在，无论是单壁或多壁结构或者多壁碳纳米管（多壁碳纳米管）只是由同心单壁碳纳米管（SWCNTs）组成。
2.1纳米管的结构
碳纳米管的原子结构中的管手性，或螺旋性，这是由手征矢量所定义的术语进行了描述的， ，还有手性角，θ，如图1.我们可以想像沿虚线切削石墨片和滚动体管，使手性矢量的笔尖接触它的尾巴。手征向量，往往被称为卷起矢量，可以由以下公式来描述：
（1）
其中整数（N，M）坐标是沿六边形格子的从z字型碳键的数目和 和 是单位向量，由图1展示出：手性角决定于管扭曲的量。
图1：示出石墨的六方晶片如何“卷起”，以形成碳纳米管示意图
这两种极端的状况存在其中手性角为0℃和30℃。这些极限情况被称为从z字型（0℃）和扶手型的（30℃）基于围绕所述纳米管的圆周上的碳键合的几何形状。扶手型的和锯齿形纳米管结构的差异如图2所示，对于折起的向量而言，洗斯坡上字形纳米管为（n，0）和扶手型的碳纳米管为（n，n）的。纳米管卷起的载体由于碳原子的原子间的间距是已知的所以还定义了纳米管直径。
碳纳米管的手性对材料性能显著影响。特别是，管的手性是众所周知的，对碳纳米管的电子性质有很大的影响。石墨被认为是一种半金属，但它已经表明，纳米管可以是金属的或半导电，Yakobson等人的分析工作这取决于手性管[9]也已经报道了手性的对机械性能的影响的调查。 [10,11]
图2.（a）扶手型和（b）一种从z字形碳纳米管的原子结构的插图。
碳纳米管的不稳定以外的线性响应。其仿真结果表明，碳纳米管是极强的恢复能力，维持极端的应力是没有脆性或塑性的任何迹象。尽管手性对弹性刚度有相对较小的影响，而他们的认为是Stone-Wales的转化，一个可逆的的双原子交汇处，其中而形成的结构是2个五边形和七边形2的成对，在张力下的纳米管的塑性变形起着关键作用。图3中展示了，当一个扶手椅型的碳纳米管强调在轴向方向上发生。纳德利等人[12]，理论认为，Stone Wales转换结果是扶手椅型的碳纳米管的韧性断裂，
1.3纳米管的形态
如前面提到的，富勒烯闭合，是由五边形和六边形的凸笼状，该Stone-Wales?转型引入了新的缺陷的纳米管结构，是七边形的。在纳米管内凹区域形成七边形，因而，七边形的纳米管的缺陷可能可导致许多的平衡形状。事实上，大多数纳米管不是直的而是形成半球形的气瓶盖。
除了由缺陷产生的不同形貌的管，碳纳米管可以是单壁或多壁结构。如图4展示出在透射电子显微镜（TEM）图像下的多壁碳纳米管，其中石墨碳和中空芯的若干层纳米结构是显而易见的。基本上多壁碳纳米管是同心的单壁管，其中每个单独的管都具有不同的手性。
图3.该Stone-Wales在一个扶手椅型的纳米管转变发生轴向拉力
图4.TEM显微照片呈现出多壁碳纳米管的分层结构
这些同心碳纳米管通过二次变换，由范德华力结合在一起，在碳纳米管的结构/性能关系的基础研究单壁碳纳米管，由于碳纳米管帧内管相互作用进一步复杂化的特性，事实上，单和多壁纳米管显示出独特的性能，可以在复合材料上被使用。
1.4碳纳米管复合材料的加工
由于近十年前碳纳米管被发现了，已经出现了多种开发的技术用于生产他们。Iijima[1]等一些人首先观察到多壁碳纳米管[13]。贝休恩人等[14]在几年后分别报道合成单壁的碳纳米管。主要合成单一和多壁碳纳米管包括电弧放电[15]的方法，有激光烧蚀[16]，还有从一氧化碳气相的催化生长[17]和从烃的化学气相沉积（CVD）[18-20]的方法。对于在复合材料中碳纳米管的应用，大量的纳米管是必需的，和限制电弧放电的比例增加并且基于激光烧蚀技术使纳米管复合材料的成本过高。在纳米管的合成期间，催化剂颗粒形式的杂质，非晶碳，以及非筒状富勒烯也有生产。因此，还需要纯化分离率管的后续步骤。气相过程往往会产生杂质少的碳纳米管，并且更适合于大规模加工。作者的意思是气相技术，比如CVD，纳米管的生长为用于缩放镜头下碳纳米管生产的复合材料的加工提供了最大的潜力。在本节中，我们简要地回顾了用于生产碳纳米管的主要技术和每种技术的优点和缺点。
摘 要
近十年前，由于在1991年他们观察的第一个自然石墨碳，碳纳米管一直是大量研究的焦点。许多研究者已经报道一直显着这种新形式的碳的物理和机械性能。掺杂异质原子，是一种调控碳纳米管材料电子性能及化学反应活性的有效方法。本研究通过溶胶凝胶法，化学气相沉积法等成功制得了硫（S）掺杂碳纳米材料。扫描电子显微镜（SEM）、振动样品磁强计（VSM）、光电子能谱（XPS）的分析结果表明，硫原子被成功地掺入到了碳纳米材料结构中。我们的方法提供了一种简单有效的途径合成S掺杂碳纳米材料，为掺杂碳纳米材料的研究开辟了新思路。
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:硫掺杂石墨烯碳纳米管
目 录
1. 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 碳纳米管的结构和形貌 2
1.3 纳米管的形态 4
1.4碳纳米管复合材料的加工 5
2.表征方法 10
2.1材料的制备 10
2.1.1溶胶凝胶法 10
2.1.2化学气相沉积法 10
2.2材料的表征 10
2.2.1 扫描电子显微镜（SEM） 10
2.2.2 振动样品磁强计（VSM） 11
2.2.3光电子能谱（XPS） 11
3.实验结果 12
3.1 材料的制备 12
3.2 碳纳米材料硫化的表征 13
3.3小结 19
4.致谢 20
参考文献 21
1
一.绪论
自十年前第一个观察到碳纳米管以来，碳纳米管一直是大量研究的焦点。许多研究者已经报道一直显着这种新形式的碳的物理和机械性能。从独特的电子特性和热导率上比金刚石的机械性能如更高比如刚度，实力和应变能力超过任何现有的材料，碳纳米管的报价为也从根本上为新的材料体系的发展也有了了巨大的机遇。特别是碳纳米管的优异的机械性能，加上其密度低，提供范围为碳纳米管的发展增强复合材料。加固的碳管纳米复合材料有非凡的比刚度和强度潜在代表21世纪的应用巨大的机会。
1.1引言：
在20世纪80年代中期，Smalley和同事在莱斯大学开发富勒烯的化学产品，富勒烯是指组成的六边形和五边形面个碳原子的几何笼状结构。形成于所述第一闭合时，凹凸结构是C60分子。以著名的设计球形建筑设计师的名字命名，R. Buckminster Fuller，富勒烯是60个碳原子，其中一个五边形的每一侧是一个六边形的类似足球的相邻侧的封闭笼（C60的分子通常被称为巴基球）[2].几年后，他们的发现导致了碳纳米管的合成。纳米管是细长的富勒烯，其中所述管的壁是六方碳（石墨结构）而且往往在每一端封顶。碳的这些笼状的形式已显示出特殊的材料性质呈现结果是其对称结构的。许多研究者已经报道的碳纳米管超过那些以前存在的任何材料的机械性能。虽然在文献上的碳纳米管有不同的报道，但理论和实验结果的确切已经表明非常高的弹性模量性质，大于1 TPA（金刚石的弹性模量为1.2 TPA）及所呈报优势比最强钢的一小部分重量高10-100倍。事实上，如果所报告的机械性能是准确的，碳纳米管可能展示一个新类的先进材料。若要解除锁定应用在碳纳米管聚合物纳米复合材料的的潜力，必须充分理解上面的碳纳米管的碳纳米管的弹性和断裂性以及相互作用力/矩阵接口。尽管这种要求是不同于已经从微米变化到纳米传统的纤维增强复合材料增强直径的规模。（例如玻璃纤维和碳纤维）
除了与碳纳米管相关联的特殊的的机械性能，它们还掌握优异的热和电性能：在真空热到2800下稳定，大约金刚石的两倍高，电流承载能力比铜线高出1000倍[4]。碳纳米管的这些特殊性质进行了研究用于诸如场致发射显示器的设备[5]
显微镜扫描探针的技巧[6]和微电子器件[7,8]。在本文中，我们提供的工艺是表征和碳纳米管及其复合材料建模的最新研究进展的概述。一些意见的目的并不是很全面，因为我们的重点是朝着宏观结构材料的发展利用碳纳米管的优异的机械性能。事实上，碳纳米管的特殊物理性能也存在机遇，大力发展多功能纳米管复合材料提供量身定制的物理和机械性能。
1.2碳纳米管的结构和形貌
碳纳米管可以看作石墨的片材已被卷成管。不同于金刚石，其中一个3-D金刚石立方晶体结构形成由布置在四面体4个最近邻的每个碳原子组成，石墨被形成为排列成六边形阵列的2-D碳原子。在这种情况下，每个碳原子最近邻的有3个。石墨的“滚石”片成圆筒形成碳纳米管。碳纳米管的性质取决于原子排列（石墨片的滚动），管的直径和长度和形态或者纳米结构。纳米管存在，无论是单壁或多壁结构或者多壁碳纳米管（多壁碳纳米管）只是由同心单壁碳纳米管（SWCNTs）组成。
2.1纳米管的结构
碳纳米管的原子结构中的管手性，或螺旋性，这是由手征矢量所定义的术语进行了描述的， ，还有手性角，θ，如图1.我们可以想像沿虚线切削石墨片和滚动体管，使手性矢量的笔尖接触它的尾巴。手征向量，往往被称为卷起矢量，可以由以下公式来描述：
（1）
其中整数（N，M）坐标是沿六边形格子的从z字型碳键的数目和 和 是单位向量，由图1展示出：手性角决定于管扭曲的量。
图1：示出石墨的六方晶片如何“卷起”，以形成碳纳米管示意图
这两种极端的状况存在其中手性角为0℃和30℃。这些极限情况被称为从z字型（0℃）和扶手型的（30℃）基于围绕所述纳米管的圆周上的碳键合的几何形状。扶手型的和锯齿形纳米管结构的差异如图2所示，对于折起的向量而言，洗斯坡上字形纳米管为（n，0）和扶手型的碳纳米管为（n，n）的。纳米管卷起的载体由于碳原子的原子间的间距是已知的所以还定义了纳米管直径。
碳纳米管的手性对材料性能显著影响。特别是，管的手性是众所周知的，对碳纳米管的电子性质有很大的影响。石墨被认为是一种半金属，但它已经表明，纳米管可以是金属的或半导电，Yakobson等人的分析工作这取决于手性管[9]也已经报道了手性的对机械性能的影响的调查。 [10,11]
图2.（a）扶手型和（b）一种从z字形碳纳米管的原子结构的插图。
碳纳米管的不稳定以外的线性响应。其仿真结果表明，碳纳米管是极强的恢复能力，维持极端的应力是没有脆性或塑性的任何迹象。尽管手性对弹性刚度有相对较小的影响，而他们的认为是Stone-Wales的转化，一个可逆的的双原子交汇处，其中而形成的结构是2个五边形和七边形2的成对，在张力下的纳米管的塑性变形起着关键作用。图3中展示了，当一个扶手椅型的碳纳米管强调在轴向方向上发生。纳德利等人[12]，理论认为，Stone Wales转换结果是扶手椅型的碳纳米管的韧性断裂，
1.3纳米管的形态
如前面提到的，富勒烯闭合，是由五边形和六边形的凸笼状，该Stone-Wales?转型引入了新的缺陷的纳米管结构，是七边形的。在纳米管内凹区域形成七边形，因而，七边形的纳米管的缺陷可能可导致许多的平衡形状。事实上，大多数纳米管不是直的而是形成半球形的气瓶盖。
除了由缺陷产生的不同形貌的管，碳纳米管可以是单壁或多壁结构。如图4展示出在透射电子显微镜（TEM）图像下的多壁碳纳米管，其中石墨碳和中空芯的若干层纳米结构是显而易见的。基本上多壁碳纳米管是同心的单壁管，其中每个单独的管都具有不同的手性。
图3.该Stone-Wales在一个扶手椅型的纳米管转变发生轴向拉力
图4.TEM显微照片呈现出多壁碳纳米管的分层结构
这些同心碳纳米管通过二次变换，由范德华力结合在一起，在碳纳米管的结构/性能关系的基础研究单壁碳纳米管，由于碳纳米管帧内管相互作用进一步复杂化的特性，事实上，单和多壁纳米管显示出独特的性能，可以在复合材料上被使用。
1.4碳纳米管复合材料的加工
由于近十年前碳纳米管被发现了，已经出现了多种开发的技术用于生产他们。Iijima[1]等一些人首先观察到多壁碳纳米管[13]。贝休恩人等[14]在几年后分别报道合成单壁的碳纳米管。主要合成单一和多壁碳纳米管包括电弧放电[15]的方法，有激光烧蚀[16]，还有从一氧化碳气相的催化生长[17]和从烃的化学气相沉积（CVD）[18-20]的方法。对于在复合材料中碳纳米管的应用，大量的纳米管是必需的，和限制电弧放电的比例增加并且基于激光烧蚀技术使纳米管复合材料的成本过高。在纳米管的合成期间，催化剂颗粒形式的杂质，非晶碳，以及非筒状富勒烯也有生产。因此，还需要纯化分离率管的后续步骤。气相过程往往会产生杂质少的碳纳米管，并且更适合于大规模加工。作者的意思是气相技术，比如CVD，纳米管的生长为用于缩放镜头下碳纳米管生产的复合材料的加工提供了最大的潜力。在本节中，我们简要地回顾了用于生产碳纳米管的主要技术和每种技术的优点和缺点。
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