论文总字数：25025字

摘 要

碳纳米管因其比表面积大、长径比高、疏水性好等特点被广泛应用于气固分离、油水分离等领域。目前关于碳纳米管的研究主要是宏量制备，但对于碳纳米管形貌的可控制备的相关研究较少。本文以二茂铁为催化剂，通过化学气相沉积法实现了螺旋状碳纳米管膜、交织网状碳纳米管膜和垂直阵列碳纳米管膜的可控制备；并研究了反应温度、碳源对碳纳米管膜形貌的影响，分析了其生长机理。通过表征测试，发现制备的三种碳纳米管膜具有较高的热稳定性（400 °C空气气氛下不发生变化）和较大的气体渗透性（螺旋碳纳米管膜气体渗透性为470 m³/m^-2·h^-1·KPa^-1，垂直阵列碳纳米管膜气体渗透性为140 m³/m^-2·h^-1·KPa^-1，网状交织碳纳米管膜的气体渗透性为490 m³/m^-2·h^-1·KPa^-1）最后考察了三种形貌碳纳米管膜对300 nm氧化硅颗粒物的过滤性能，结果表明，碳纳米管膜对颗粒物的过滤效率都在95%以上，且过滤压降保持在3 KPa以下。

关键词：碳纳米管膜 可控制备 过滤

Abstract

Carbon nanotubes (CNTs) are widely used in particulate matters separation, oil-water separation and other fields due to their large specific surface area, high aspect ratio, and good hydrophobicity. At present, the researches on the large-scale production of carbon nanotubes have been widely developed, but there are few researches on the controllable preparation in morphologies of carbon nanotubes. In this study, spiral carbon nanotubes membrane, interwoven carbon nanotubes membrane and vertical array carbon nanotubes membrane were prepared by chemical vapor deposition via using ferrocene as catalyst. The influence of reaction temperature and carbon precursor on the CNTs morphology was explored, and also growth mechanism was analyzed. Characterization results showed that the carbon nanotube membranes exhabited high thermal stability (no change at 400 °C in the air atmosphere) and large gas permeability (spiral carbon nanotube membrane gas permeability is 470 m³/m^-2·h^-1·KPa^-1, the gas permeability of the vertical array carbon nanotube membrane is 140 m³/m^-2·h^-1·KPa^-1, and the gas permeability of the network interwoven carbon nanotube membrane is 490 m³/m^-2·h^-1·KPa^-1) Finally, the filtration performance of three membranes for powder with particle sizes of 300 nm were investigated. The filtration efficiency of carbon nanotube membranes to particles are all more than 95% with low pressure drop of 3 KPa.

Key Words: Carbon nanotubes; Controllable preparation; Filtration

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1碳纳米管的概况 1

1.1.1结构与性质 1

1.1.2生长机理和制备 2

1.1.3不同形貌的碳纳米管 3

1.2碳纳米管膜的研究进展 5

1.2.1膜的分类 5

1.2.2膜的制备方法 5

1.3碳纳米管膜的应用 7

1.4研究的目的和意义 8

第二章 不同形貌的碳纳米管膜的制备与表征 9

2.1引言 9

2.2实验部分 9

2.2.1原料与试剂 9

2.2.2实验仪器 9

2.2.3实验方法 10

2.2.4测试与表征 10

2.3结果与讨论 11

2.3.1温度对碳纳米管膜的影响 11

2.3.2碳源对碳纳米管膜结构的影响 12

2.3.3碳纳米管膜的耐热性结果分析 13

2.3.4碳纳米管比表面积分析 14

2.3.5碳纳米管拉曼分析 15

2.4小结 16

第三章 碳纳米管膜在气固分离方面的应用 17

3.1引言 17

3.2实验部分 17

3.2.1实验试剂 17

3.2.2实验装置 17

3.2.3实验方法 18

3.3结果与讨论 18

3.3.1碳纳米管形貌对膜分离性能的影响 18

3.3.2碳纳米管膜对不同PM的过滤性能 20

3.3.3碳纳米管膜的过滤机理 21

3.4小结 22

第四章 总结与展望 23

4.1总结 23

4.2展望 23

参考文献 25

致谢 28

第一章 文献综述

1.1碳纳米管的概况

碳纳米管是由石墨烯片层沿着中心轴卷曲形成的中空圆筒状一维纳米材料。根据卷曲的石墨烯片层数量的不同，碳纳米管可分为单壁碳纳米管（石墨烯片层等于1）和多壁碳纳米管（石墨烯片层大于等于2）。由于其特殊的六方晶结构，碳纳米管在电化学、储能、分离等领域都表现出优异的性能。

图1-1 单壁碳纳米管与多壁碳纳米管结构图

1.1.1结构与性质

碳纳米管的碳碳键形成的特殊圆筒状空间结构和特有的六元环导致σ-π杂化，这种杂化结构特点对量子限域有很大提升，使得碳纳米管在电学、磁学、热学等方面有特异的性质，适于电子元器件的制造^[1]。

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