氟化碳納米管的制備方法及相關(guān)性質(zhì)研究進展

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1、中國科學(xué):技術(shù)科學(xué)2010年第40卷第7期:727~736《中國科學(xué)》雜志社www.scichina.comtech.scichina.comSCIENCECHINAPRESS論文氟化碳納米管的制備方法及相關(guān)性質(zhì)研究進展①②①②①②①②①②①②①②*李瑀,陳彥芳,馮奕鈺,趙生領(lǐng),呂鵬,袁曉燕,封偉①天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,天津300072;②天津市材料復(fù)合與功能化重點實驗室,天津300072*E-mail:weifeng@tju.edu.cn收稿日期:2009-08-30;接受日期:2009-12-21國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:50873074,51011140072)、國家重點

2、基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(“973”計劃)(批準(zhǔn)號:2010CB934700)和天津市自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:10JCZDJC22400)資助項目摘要介紹了氟化碳納米管(F-CNTs)的最新進展.詳細(xì)討論了碳納米管(CNTs)的氟化方法,關(guān)鍵詞包括直接氟化法和等離子體處理法,總結(jié)了氟化溫度和壓力、氟源種類以及CNTs種類等因素碳納米管氟化對F-CNTs的結(jié)構(gòu)和性能的影響.同時還介紹了F-CNTs特有的物理和化學(xué)性質(zhì)及其相關(guān)應(yīng)用等離子處理領(lǐng)域,歸納了F-CNTs目前存在的問題,并對今后的發(fā)展方向進行了展望.氟化碳納米管取代反應(yīng)[7,8]碳是周期表中唯一具有從零維到三維同素異形素之間形成化學(xué)鍵.碳

3、材料的氟化是通過打破碳體的元素,其中富勒烯和碳納米管(carbonnanotubes,層π鍵,并和碳原子結(jié)合形成C-F鍵的一種過程,是CNTs)作為典型的零維和一維材料已被廣泛研究.修飾和控制碳材料物理化學(xué)性質(zhì)最有效的方法之一,[1][9][10]1991年Iijima發(fā)現(xiàn)CNTs,后來的研究表明CNTs是其能夠顯著地改善碳材料的表面極性、電導(dǎo)性、[11][12]由石墨層卷曲而成的無縫、中空管體,石墨層一般可以吸附能力和電容性等性能.原材料的結(jié)構(gòu)和性從一層到上百層.其中含有一層石墨層的CNTs稱為單質(zhì)(石墨化程度、結(jié)構(gòu)有序程度、材料的維數(shù)等)以及壁納米碳管(single-walled

4、carbonnanotubes,SWNTs),氟化條件(反應(yīng)溫度、時間和壓力,氣相反應(yīng)物的組成[13,14]石墨層多于一層的CNTs稱為多壁納米碳管(multi-等)是影響氟化碳性能的主要因素.氟化CNTwalledcarbonnanotubes,MWNTs).近來,含有兩層石(fluorinatedcarbonnanotubes,F-CNTs)具有眾多獨特墨層的雙壁碳納米管(double-walledcarbonnanotubes,的性能,比如能夠在不破壞CNTs管狀結(jié)構(gòu)的前提下[15]DWNTs),因其性質(zhì)介于SWNTs和MWMTs之間而在表面連接上一定量的氟原子,其能夠通過親核

5、[2][16~18]受到廣泛重視.不同種類CNTs的結(jié)構(gòu)如圖1所示.取代反應(yīng)對CNTs表面進行進一步修飾,同時[19][20]一維CNTs具有極其優(yōu)良的力學(xué)性能、極高的長徑比、F-CNTs在鋰電池的陰極材料、固體潤滑劑以及[3,4][21]對基質(zhì)的良好相容性及密度較小等特性,特別適復(fù)合物的填充劑等眾多領(lǐng)域具有重要的使用價值.于做各種復(fù)合材料的增強劑,成為汽車、船舶、航天因此,F-CNTs引起了國內(nèi)外眾多科研人員的重視并[5,6]器、超微型機械等工業(yè)領(lǐng)域的理想材料.得以快速的發(fā)展.氟氣具有極強氧化性,且氟元素?fù)碛凶顝姷碾姳疚闹饕偨Y(jié)了近年來制備F-CNTs的方法,并負(fù)性,因此氟元素能和

6、元素周期表上的絕大多數(shù)元對其物理和化學(xué)性質(zhì)以及相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域進行了介引用格式:LiY,ChenYF,FengYY,etal.Progressofsynthesizingmethodsandpropertiesoffluorinatedcarbonnanotubes.SciChinaTechSci,2010,53:1225?1233,doi:10.1007/s11431-010-0137-x李瑀等:氟化碳納米管的制備方法及相關(guān)性質(zhì)研究進展[29]也指出F-SWNTs中的氟含量隨溫度的升高而升高.[30]An等人則進一步計算出不同溫度下制備的F-SWNTs的分子式:溫度低于200℃時F-

7、SWNTs分子式為C4F,當(dāng)溫度位于250~300℃時其分子式為C2F,當(dāng)溫度高于300℃時分子式為CF.需要指出的是,不同于傳統(tǒng)氟化碳材料,F-SWNTs的顏色并不因氟化[31]反應(yīng)而改變.[32][33]Nakajima等人和Hamwi等人最早通過F2,在不同的溫度下制備氟化MWNTs(F-MWNTs)的研究.結(jié)果表明當(dāng)溫度高于300℃時,表面出現(xiàn)皺層,MWNTs的管狀結(jié)構(gòu)保持良好;當(dāng)溫度高于400℃時,氟化會在MWNTs表面造成微小裂紋,為氟原子滲入