常壓下以電暈方式製備奈米碳管或奈米結構｜國立清華大學博碩士論文庫

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研究生：	張雅筑
論文名稱：	常壓下以電暈方式製備奈米碳管或奈米結構 Producing Carbon Nanotubes or Nanostructures by Corona Discharge at Atmosphere
指導教授：	徐文光
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 材料科學工程學系 Materials Science and Engineering
論文出版年：	2007
畢業學年度：	95
語文別：	中文
論文頁數：	63
中文關鍵詞：	奈米碳管、電暈、常壓
相關次數：	點閱：2 下載：0
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一般奈米碳管的製備大多使用的方法為碳氫化合物的熱裂解、石墨電弧放電法、雷射蒸發法和化學氣相沉積法。上述幾種方法皆需要一個真空腔體，相對的實驗成本也較高、製程較複雜。本實驗使用特斯拉棒，在自然界環境中實驗(常壓下)，不需要爐管或真空腔體，並且比較了許多不同的實驗方法和條件，成功的找到在鋁片上滴上五環鐵(ferrocene)的甲苯溶液，以特斯拉棒電擊20秒左右，在掃描式電子顯微鏡(SEM)下發現有奈米碳管產生，只是產量非常地少。經過一連串檢討改進後，發現在鋅片上滴上五環鐵的甲苯溶液，通入氬氣，透過筆心以特斯拉棒電擊數十秒，在SEM下亦發現碳管，並且透過拉曼光譜、質譜儀和穿透式電子顯微鏡等儀器的檢驗，成功地解釋奈米碳管的成長機制與發現為何本實驗碳管產量不高的原因。

The common methods of producing carbon nanotubes are pyrolysis of hydrocarbons, arc discharge of graphite, chemical vapor deposition and laser ablation of graphite. The various ways stated above all require a vacuum chamber, and therefore, the cost for experiments is presumedly higher and the process much complicated. We use a Tesla coil for our experiments at atmosphere instead of a vacuum chamber. Comparing with many different ways and conditions, we successfully pulled off a experiment by way of dropping some ferrocene toluene solution on a small slice of aluminum and arcing it about twenty seconds. We find carbon nanotubes under the scanning electron microscope, only that the production is relatively small. Though a lot of discussions and improvements, we drop some ferrocene toluene solution on a small slice of zinc and arc it by a pencil lead about twenty seconds in argon atmosphere. We also find carbon nanotubes under the scanning electron microscope. Through Raman spectrum, mass spectrum and high resolution transmission electron microscope, we can explain the growth mechanism of carbon nanotubes and our poor producing.

總目錄

中文摘要                                           　　           Ⅰ
英文摘要                                                          Ⅱ
總目錄                                                            Ⅲ
圖目錄                                                            Ⅶ
表目錄                                                            Ⅹ

第一章 文獻回顧                             1
1-1    奈米碳管的特性                                              1
1-2    奈米碳管的結構                                              2
1-3    奈米碳管的成長                                              3
1-3-1 催化劑的種類                                           5
      1-3-2 催化的粒徑大小                                         5
      1-3-3 催化劑晶相                                             5
1-4    奈米碳管的鑑定                                              5
1-5    奈米碳管的製備                                              7
      1-5-1 碳氫化合物的熱裂解法                                   8
      1-5-2 石墨電極直流電弧放電法                                 8
      1-5-3 化學氣相沉積法                                         9
      1-5-4 雷射蒸發法                                             10
1-6    奈米碳管的純化                                              11
第二章  實驗動機與目的                      12
2-1  實驗動機與目的                                              12

第三章    實驗步驟與結果                      13
3-1  實驗藥品與儀器                                              13
       3-1-1 藥品                                                  13
       3-1-2 實驗儀器                                              14
       3-1-3 配製藥品溶液                                          14
3-2  分析儀器簡介                                                15
       3-2-1 場發射掃描式電子顯微鏡 (FE-SEM)                       15
       3-2-2 拉曼光譜儀 (Raman Spectrum)                            15
       3-2-3 高解析穿透式電子顯微鏡 (HR-TEM)                      18
3-3  實驗一 (石墨棒/水 □直接電擊)                                19
       3-3-1 實驗裝置與步驟                                        19
       3-3-2  SEM觀察結果                                         19
3-4  實驗二 (石墨棒/ferrocene toluene solution/air □直接電擊)           21
       3-4-1 實驗裝置與步驟                                        21
       3-3-2  SEM觀察結果                                         21
3-5  實驗三 (石墨棒/ferrocene toluene solution/air □正負兩極)           23
       3-5-1 實驗裝置與步驟                                        23
       3-5-2  SEM觀察結果                                         23
3-6  實驗四 (筆心/ferrocene toluene solution/air □直接電擊)             26
       3-6-1 實驗裝置與步驟                                        26
       3-6-2  SEM觀察結果                                         26
  3-7  實驗五 (木炭/ferrocene toluene solution/air □直接電擊)             28
       3-7-1 實驗裝置與步驟                                        28
       3-7-2  SEM觀察結果                                         28
  3-8  實驗六 (鋁片/ferrocene toluene solution/air □直接電擊)             30
       3-8-1 實驗裝置與步驟                                        30
       3-8-2  SEM觀察結果                                        30
3-9  實驗七 (鋅片/水 □直接電擊)                                  32
       3-9-1 實驗裝置與步驟                                        32
       3-9-2  SEM觀察結果                                         32
  3-10  實驗八 (鋅片/甲苯/水□直接電擊)                              34
        3-10-1 實驗裝置與步驟                                      34
        3-10-2  SEM觀察結果                                       34
  3-11  實驗九 (筆心/ferrocene toluene solution/Ar □直接電擊)            36
        3-11-1 實驗裝置與步驟                                      36
        3-11-2  SEM觀察結果                                       36
  3-12  實驗十 (鋅片/ferrocene toluene solution/Ar □加筆心電擊)          38
        3-12-1 實驗裝置與步驟                                      38
        3-12-2  SEM觀察結果                                       38
        3-12-3  EDX元素分析                                       40
        3-12-4  Raman Spectrum                                      42
        3-12-5  Mass Spectrum                                       43
        3-12-6  TEM觀察結果                                       44
  3-13  實驗十一 (鋅片/ferrocene toluene solution/水 □加筆心電擊)        45
        3-13-1 實驗裝置與步驟                                      45
        3-13-2  SEM觀察結果                                       45
  3-14  實驗十二 (鋅片/cobalt toluene solution/air □直接電擊)             47
        3-14-1 實驗裝置與步驟                                      47
        3-14-2  SEM觀察結果                                       47
  3-15  實驗十三 (鋅片/nickel toluene solution/air □直接電擊)             49
        3-15-1 實驗裝置與步驟                                      49
        3-15-2  SEM觀察結果                                       49
  3-16  實驗十四 (鋅片/yttrium toluene solution/air □直接電擊)            51
        3-16-1 實驗裝置與步驟                                      51
        3-16-2  SEM觀察結果                                       51
  3-17  實驗十五 (鋅片/yttrium toluene solution/水 □加筆心電擊)         53
        3-17-1 實驗裝置與步驟                                      53
        3-17-2  SEM觀察結果                                      53
3-17-3  EDX元素分析                                      56
        3-17-4  Raman Spectrum                                     57
  3-18  實驗十六 (鋅片/硫酸亞鐵水溶液+酒精/氬氣 □直接電擊)          58
        3-18-1 實驗裝置與步驟                                      58
        3-18-2  SEM觀察結果                                       58
第四章  結論                                60


參考資料                                    61










圖目錄

圖1.1 奈米碳管結構外觀                                              2
圖1.2 碳管依螺旋性分類圖                                            3
圖1.3 奈米碳管成長示意圖                                            3
圖1.4 Cn(n＝1~5)容易讓碳管成長示意圖                                 4
圖1.5 (a) 單壁奈米碳管  (b) 多壁奈米碳管 HRTEM照片                  6
圖1.6 多壁奈米碳管末端之不同型態                                    6
圖1.7 單壁奈米碳管束之SEM                                          6
圖1.8 以STM掃描奈米碳管之排列圖                                   7
圖1.9 碳氫化合物熱裂解示意圖                                        8
圖1.10 電弧放電裝置示意圖                                           9
圖1.11 化學氣相沉積法設備示意圖                                    10
圖1.12 雷射蒸發法設備示意圖                                        10
圖3.1 特斯拉棒                                                     14
圖3.2 場發射掃描式電子顯微鏡                                       15
圖3.3 單壁奈米碳管之Raman光譜圖                                   16
圖3.4 拉曼光譜儀                                                   17
圖3.5 高解析穿透式電子顯微鏡                                       18
圖3.6 實驗裝置示意圖                                               19
圖3.7 實驗一 (石墨棒/水 □直接電擊) SEM圖                          20
圖3.8 實驗一 (石墨棒/水 □直接電擊) SEM圖                          20
圖3.9 實驗裝置示意圖                                               21
圖3.10實驗二 (石墨棒/ferrocene toluene solution/air □直接電擊) SEM圖     22
圖3.11實驗二 (石墨棒/ferrocene toluene solution/air □直接電擊) SEM圖     22
圖3.12 實驗裝置示意圖                                              23
圖3.13 實驗三負極之SEM圖                                         24
圖3.14 實驗三負極之SEM圖                                         24
圖3.15 實驗三正極之SEM圖                                         25
圖3.16 實驗三正極之SEM圖                                         25
圖3.17 實驗裝置示意圖                                              26
圖3.18 實驗四 (筆心/ferrocene toluene solution/air □直接電擊) SEM圖      27
圖3.19 實驗裝置示意圖                                              28
圖3.20 實驗五 (木炭/ferrocene toluene solution/air □直接電擊) SEM圖      29
圖3.21 實驗五 (木炭/ferrocene toluene solution/air □直接電擊) SEM圖      29
圖3.22 實驗裝置示意圖                                              30
圖3.23 實驗六 (鋁片/ferrocene toluene solution/air □直接電擊) SEM圖      31
圖3.24 實驗六 (鋁片/ferrocene toluene solution/air □直接電擊) SEM圖      31
圖3.25 實驗裝置示意圖                                              32
圖3.26 實驗七 (鋅片/水 □直接電擊) SEM圖                           33
圖3.27 實驗七 (鋅片/水 □直接電擊) SEM圖                           33
圖3.28 實驗裝置示意圖                                              34
圖3.29 實驗八 (鋅片/甲苯/水□直接電擊) SEM圖                        35
圖3.30 實驗八 (鋅片/甲苯/水□直接電擊) SEM圖                        35
圖3.31 實驗裝置示意圖                                              36
圖3.32 實驗九 (筆心/ferrocene toluene solution/Ar □直接電擊) SEM圖      37
圖3.33 實驗九 (筆心/ferrocene toluene solution/Ar □直接電擊) SEM圖      37
圖3.34 實驗裝置示意圖                                              38
圖3.35 實驗十 (鋅片/ferrocene toluene solution/Ar □加筆心電擊) SEM圖    39
圖3.36 實驗十 (鋅片/ferrocene toluene solution/Ar □加筆心電擊) SEM圖    39
圖3.37 實驗十EDX圖譜                                             40
圖3.38 實驗十mapping圖形                                          41
圖3.39 實驗十拉曼光譜                                              42
圖3.40 質譜儀結果                                                  43
圖3.41 TEM圖形及其放大圖                                          44
圖3.42 實驗裝置示意圖                                              45
圖3.43 實驗十一 (鋅片/ferrocene toluene solution/水 □加筆心電擊) SEM圖  46
圖3.44 實驗十一 (鋅片/ferrocene toluene solution/水 □加筆心電擊) SEM圖  46
圖3.45 實驗裝置示意圖                                              47
圖3.46 實驗十二 (鋅片/cobalt toluene solution/air □直接電擊) SEM圖       48
圖3.47 實驗十二 (鋅片/cobalt toluene solution/air □直接電擊) SEM圖       48
圖3.48 實驗裝置示意圖                                              49
圖3.49 實驗十三 (鋅片/nickel toluene solution/air □直接電擊) SEM圖       50
圖3.50 實驗十三 (鋅片/nickel toluene solution/air □直接電擊) SEM圖       50
圖3.51 實驗裝置示意圖                                              51
圖3.52 實驗十四 (鋅片/yttrium toluene solution/air □直接電擊) SEM圖      52
圖3.53 實驗裝置示意圖                                              53
圖3.54 實驗十五 (鋅片/yttrium toluene solution/水 □加筆心電擊) SEM圖   54
圖3.55 實驗十五 (鋅片/yttrium toluene solution/水 □加筆心電擊) SEM圖   54
圖3.56 實驗十五 (鋅片/yttrium toluene solution/水 □加筆心電擊) SEM圖   55
圖3.57 實驗十五 SEM圖                                             56
圖3.58 實驗十五 SEM圖                                             56
圖3.59 實驗十五拉曼光譜                                            57
圖3.60 實驗裝置示意圖                                              58
圖3.61 實驗十六 (鋅片/硫酸亞鐵水溶液+酒精/氬氣 □直接電擊) SEM圖    59
圖3.62 實驗十六 (鋅片/硫酸亞鐵水溶液+酒精/氬氣 □直接電擊) SEM圖    59

表目錄

表1-1 奈米碳管性質                                                  1
表3-1 藥品種類表                                                   13
表3-2 單壁奈米碳管與RBM波峰之關係                                17
表3-3 元素成分                                                     40
表3-4 元素成分                                                     56
表3-5 元素成分                                                     56

                                

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