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第1章 绪论 1

1.1 纳米材料与纳米技术 1

1.2 碳纳米管概述：结构与分类 3

1.2.1 碳纳米管的优异性能 4

1.2.2 碳纳米管的团聚结构 6

1.3 碳纳米管的宏量制备 7

参考文献 9

第2章 聚团状多壁碳纳米管的宏量制备 11

2.1 纳米尺度下多壁碳纳米管的组装规律 12

2.1.1 生长机理 12

2.1.2 催化剂设计 13

2.2 碳纳米管的团聚生长 20

2.2.1 聚团的形成及其宏观形貌 21

2.2.2 碳纳米管的多级聚团结构 22

2.2.3 碳纳米管聚团的生成过程 23

2.3 碳纳米管聚团的流体力学行为 30

2.3.1 碳纳米管聚团流化床的流化现象和床层膨胀 31

2.3.2 碳纳米管聚团流化床的流体力学行为 34

2.3.3 碳纳米管聚团流化床的气体扩散行为 44

2.4 碳纳米管的制备过程研究 45

2.4.1 催化剂还原与甲烷裂解协同提高甲烷转化率 45

2.4.2 双层流化床变温操作调变碳纳米管生长 47

2.4.3 流化床浮游催化剂法制备分支碳纳米管 49

2.5 多壁碳纳米管的宏量制备 51

2.6 碳纳米管的分散与纯化 52

2.6.1 碳纳米管的液相分散 52

2.6.2 破碎-絮凝分离纯化碳纳米管 55

2.6.3 高纯碳纳米管产品的制备 56

2.7 碳纳米管在复合材料中的应用 57

2.7.1 含碳纳米管的超强纤维 57

2.7.2 碳纳米管／高分子导电复合材料 59

2.7.3 碳纳米管／聚酯抗静电纤维及织物 61

2.7.4 碳纳米管／电磁屏蔽吸波材料 63

2.7.5 碳纳米管／陶瓷复合材料 64

2.7.6 碳纳米管导电墨水 65

2.7.7 碳纳米管超级电容器 66

2.7.8 碳纳米管用于锂离子电池电极 67

2.8 结语 69

参考文献 69

第3章 聚团状单壁碳纳米管的宏量制备 75

3.1 引言 75

3.2 单壁碳纳米管的催化生长 76

3.2.1 基板催化剂体系 77

3.2.2 浮游催化剂体系 77

3.2.3 粉末催化剂体系 78

3.3 宏量制备单壁碳纳米管 92

3.3.1 低空速流化床制备单壁碳纳米管 92

3.3.2 高空速流化床连续生产单／双壁碳纳米管 93

3.4 结语 94

参考文献 94

第4章 碳纳米管垂直阵列的宏量制备 98

4.1 碳纳米管阵列的合成方法 98

4.1.1 负载催化剂化学气相沉积 98

4.1.2 浮游催化剂化学气相沉积 100

4.2 碳纳米管阵列的生长机理 102

4.2.1 原子／分子尺度上碳纳米管的生长 102

4.2.2 单根尺度上碳纳米管的生长 103

4.2.3 协同作用下碳纳米管的生长 104

4.3 曲面生长碳纳米管阵列 115

4.3.1 球形颗粒表面辐射生长碳纳米管阵列 117

4.3.2 片状材料法向生长碳纳米管阵列 122

4.3.3 异形颗粒表面生长碳纳米管阵列 124

4.4 插层生长碳纳米管阵列 125

4.5 流化床批量制备碳纳米管阵列 130

4.5.1 流化床制备阵列的基础：生长过程中颗粒连续稳定地流化 131

4.5.2 流化床批量制备的碳纳米管阵列表征 136

4.5.3 流化床制备碳纳米管阵列的过程放大 139

4.5.4 碳纳米管阵列的纯化 140

4.6 碳纳米管阵列的应用 141

4.6.1 阵列整体作为功能器件 141

4.6.2 CNT丝 143

4.6.3 CNT阵列分散后的应用 143

4.6.4 CNT阵列插层复合物的应用 144

参考文献 148

第5章 超长碳纳米管水平阵列的宏量制备 155

5.1 引言 155

5.2 超长碳纳米管的结构与合成化学 155

5.2.1 超长碳纳米管的结构 156

5.2.2 超长碳纳米管的生长机理及生长模式 157

5.2.3 超长碳纳米管的合成方法 164

5.3 超长碳纳米管水平阵列的结构与形貌调控 168

5.3.1 超长碳纳米管的本征结构调控 168

5.3.2 超长碳纳米管水平阵列的形貌调控和宏观操纵 175

5.4 超长碳纳米管的结构及性质表征 193

5.4.1 超长碳纳米管的SEM表征 194

5.4.2 超长碳纳米管的TEM表征 195

5.4.3 超长碳纳米管的AFM表征 197

5.4.4 超长碳纳米管的STM表征 197

5.4.5 超长碳纳米管的拉曼表征 197

5.4.6 超长碳纳米管的电学性质表征 199

5.5 超长碳纳米管水平阵列宏量制备的一些策略 199

5.5.1 催化剂的改进 200

5.5.2 超长碳纳米管水平阵列长度的改进 200

5.5.3 超长碳纳米管水平阵列密度的改进 200

5.6 典型应用 201

5.6.1 在碳纳米管本征性质研究方面的应用 201

5.6.2 在纳米电子器件方面的应用 202

5.6.3 在工程材料领域的应用 204

5.7 结语 205

参考文献 205

第6章 特种碳纳米管的宏量制备 213

6.1 掺杂碳纳米管 213

6.1.1 硼／氮掺杂碳纳米管 213

6.1.2 其他杂原子掺杂碳纳米管 216

6.1.3 掺杂碳纳米管的典型应用 217

6.2 螺旋碳纳米管 218

6.2.1 单螺旋碳纳米管 219

6.2.2 双螺旋碳纳米管 220

6.2.3 螺旋碳纳米管的典型应用 221

6.3 碳纳米管结 223

6.3.1 一维碳纳米管结 223

6.3.2 多维碳纳米管结 225

6.3.3 碳纳米管异质结 228

6.3.4 碳纳米管结的典型应用 229

6.4 大空腔碳纳米管 230

6.4.1 大空腔单壁碳纳米管 231

6.4.2 大空腔多壁碳纳米管 232

6.4.3 大空腔碳纳米管的典型应用 233

6.5 特定长度的碳纳米管 234

6.5.1 超短碳纳米管 234

6.5.2 超长碳纳米管 235

6.5.3 特定长度的碳纳米管的典型应用 237

6.6 表面性能调变的碳纳米管 238

6.6.1 共价调变 239

6.6.2 非共价调变 241

6.6.3 典型应用 241

参考文献 242

第7章 石墨烯简介及其宏量制备 256

7.1 石墨烯制备方法 256

7.1.1 机械法剥离石墨 256

7.1.2 化学气相沉积 258

7.1.3 外延生长 259

7.1.4 电弧放电方法 259

7.1.5 石墨插层化合物溶剂化解理 260

7.1.6 全化学有机合成 260

7.1.7 切割碳纳米管 260

7.1.8 石墨氧化及还原法 261

7.2 基于石墨烯的超结构以及杂化物 266

7.2.1 石墨烯膜 266

7.2.2 石墨烯垂直阵列 266

7.2.3 石墨烯-碳纳米管杂化物 266

7.2.4 石墨烯-金属杂化物 266

7.2.5 石墨烯-氧化物杂化物 267

7.2.6 石墨烯-量子点杂化物 267

7.3 石墨烯典型应用 267

7.3.1 微电子工业 267

7.3.2 透明导电膜 269

7.3.3 能源转化与存储 270

7.3.4 石墨烯基催化剂 272

7.3.5 石墨烯复合材料 272

7.3.6 传感器及生物探针 273

7.4 结语 273

参考文献 274