纳米碳管研究进展及其应用.docx

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纳米碳管研究进展及其应用

纳米碳管研究进展及其应用

摘要：

纳米碳管的发现是碳团簇领域的又一重大科研成果，本文探讨了碳纳米管的结构、特性、制备、应用、进展研究、前景等。

关键词：

新型碳材料，纳米碳管，性质，应用

1．纳米碳管发展背景

碳元素广泛存在于茫茫苍穹的宇宙间和浩瀚无垠的地球上,碳是地球上构成化合物种类最多的元素之一，是一切生物有机体的骨架元素，也可以说没有碳元素就没有生命。

碳材料具有比重小、耐热、耐腐蚀、耐热冲击、导电、传热性好、高温强度、自润滑性、生体相容性等一系列其它材料所没有的综合特性,被认为是面向21世纪的极有发展前途的新材料。

特别是随着新型碳材料的不断开发和发现，使碳材料研究在全球材料科学界、物理界和化学界受到了广泛关注。

碳材料由于其结构的多样性，导致其性能的多样化，在环保，能源，制造业，国防等领域得到了广泛的应用。

纳米碳管（如图一）就是其中一种新型碳材料，也是纳米材料，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1-100nm）或由它们作为基本单元构成的材料。

图一：

纳米碳管示意图

2．纳米碳管的分类

碳纳米管按照石墨烯片的层数分类可分为：

单壁碳纳米管（Single-wallednanotubes,SWNTs）和多壁碳纳米管（Multi-wallednanotubes,MWNTs），多壁管在开始形成的时候，层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷。

与多壁管相比，单壁管是由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。

3．纳米碳管的结构

图二

纳米碳管中的碳原子以sp2杂化，但是由于存在一定曲率所以其中也有一小部分碳属sp3杂化，（如图二）。

在不考虑手性的情况下，单壁纳米碳管可以由两个参量完全确定（直径和螺旋角或两个表示石墨烯的指数（n,m）或者螺旋向量Cn和垂直向量T〕。

图三

理想纳米碳管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体。

石墨烯的片层一般可以从一层到上百层，含有一层石墨烯片层的称为单壁纳米碳管，多于一层的则称为多壁纳米碳管（如图三）。

单壁纳米碳管的直径一般为1－6nm，最小直径大约为0.5nm，与C36分子的直径相当,但单壁纳米碳管的直径大于6nm以后特别不稳定，会发生单壁纳米碳管管的塌陷，长度则可达几百纳米到几个微米。

因为单壁纳米碳管的最小直径与富勒烯分子类似，故也有人称其为巴基管或富勒管。

多壁纳米碳管的层间距约为0.34纳米，直径在几个纳米到几十纳米，长度一般在微米量级，最长者可达数毫米。

由于纳米碳管具有较大的长径比，所以可以把其看成为准一维纳米材料。

4.纳米碳管的性质

4．1.电学性质

由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。

理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。

4．2．力学性能

墨烯平面中碳碳键是自然界中已知的最强的化学键之一，石墨中C11的弹性常数达1060GPa。

纳米碳管的结构是比较完整的石墨烯网格，而且由于缺陷很少，单壁纳米碳管的强度应该接近于碳碳键强度。

理论计算表明单壁纳米碳管的杨氏模量与其直径以及螺旋角无关，杨氏模量和剪切模量与金刚石相当，强度可以达到1.0TPa以上。

其强度大约为钢的100倍，而密度却只有钢的1/6。

所以纳米碳管具有优异的力学性能。

4．3．热学性能

一维管具有非常大的长径比，因而大量热是沿着长度方向传递的，通过合适的取向，这种管子可以合成高各向异性材料。

虽然在管轴平行方向的热交换性能很高，但在其垂直方向的热交换性能较低。

纳米管的横向尺寸比多数在室温至150℃电介质的品格振动波长大一个量级，这使得弥散的纳米管在散布声子界面的形成中是有效的，同时降低了导热性能。

适当排列碳纳米管可得到非常高的各向异性热传导材料。

5．纳米碳管的制备

纳米碳管主要制备法方法有电弧法，激光蒸发法，化学气相淀积法，固相热解法、辉光放电法和气体燃烧法等以及聚合反应合成法。

电弧放电法（如图四）是生产碳纳米管的主要方法。

电弧法与Wolfgang-Kratschmer法制备富勒烯类似，在惰性气体气氛中，两根石墨电极直流放电，阴极上产生纳米碳管。

使用这一方法制备碳纳米管技术上比较简单，但是生成的碳纳米管与C60等产物混杂在一起，很难得到纯度较高的碳纳米管，并且得到的往往都是多层碳纳米管，而实际研究中人们往往需要的是单层的碳纳米管。

此外该方法反应消耗能量太大。

激光刻蚀法采用激光刻蚀高温炉中的石墨靶子，纳米碳管就存在于惰性气体夹带的石墨蒸发产物中。

近年来发展出了化学气相淀积法，或称为碳氢气体热解法，在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷。

这种方法是让气态烃通过附着有催化剂微粒的模板，在800~1200度的条件下气态烃可以分解生成碳纳米管。

这种方法突出的优点是残余反应物为气体，可以离开反应体系，得到纯度比较高的碳纳米管，同时温度亦不需要很高，相对而言节省了能量。

但是制得的碳纳米管管径不整齐，形状不规则，并且在制备过程中必须要用到催化剂。

图四：

电弧放电法制备碳纳米管设备简图

1-阴极接头；2-阴极；3-阳极；4-阳极接头；5-线性进给装置

6．碳纳米管国内外现状及进展

6．1．国内碳纳米管现状及进展

　　厦门大学碳纳米管的研究出新突破，厦门大学化学系博士生导师张鸿斌及其研究集体已制成小而均匀管径的碳纳米管，居国内领先水平；我国合成出世界最长碳纳米管；北大纳米研究获重大突破；南京大学纳米科技中心成立；香港研究纳米材料获成果；清华大学范守善小组发展了一种以碳纳米管为基生长碳化物纳米棒的新方法；中科院金属所合成高质量碳纳米材料，使我国新型储氢材料研究跃上世界先进水平；2000年中科院金属所发现纳米金属超塑延展性。

同年，我国首次利用碳纳米管研制处新一代的显示器产品，标志着我国在碳纳米管应用上取得重大突破，并标志着我国进入碳纳米管发射研究领域的世界先进水平。

　　我国科学家在纳米管和其他功能纳米材料研究方面，取得了具有重要影响的7项成果，先后在美国《自然》，英国《科学》等国际科学杂志上发表了4篇文章，引起国际科技界很大关注。

国内碳纳米管研究方向有：

（1）大面积定向碳管阵列合成；

（2）超长碳纳米管制备；（3）氮化稼纳米棒制备；（4）硅衬底上的碳纳米管阵列。

6．2．国外碳纳米管现状及进展

　　从近期的美国《科学索引》核心期刊发表的论文数分析，我国的论文总数继美、日、德以后，位于第四位；美国和日本处于主导地位，德国、英国、法国和我国紧随其后。

总体来说相差不大，在某些方面各具有一定的优势。

美国把纳米材料视为下一次工业革命的核心。

目前，国际上对碳纳米管的研究方兴未艾。

美国佐治亚工学院王中林教授等对碳纳米管进行了大量的研究，发现了许多新科学的现象，并发现了世界上最小的秤：

纳米秤。

日本东北大学的研究人员制成铂填充的碳纳米管。

日本最近设立了纳米材料研究中心，把纳米材料列入新的五年计划。

赖斯大学的纳米管研究小组发现环形碳纳米管，Bullafo大学的研究人员报道了在玻璃上规则排列碳纳米管。

德国制成直径１纳米的碳纳米管，在1993年提出今后10年重点发展的9个关键技术领域，纳米技术涉及到其中4个领域。

英国也制定了纳米技术的研究计划，在机械、光学、电子学等领域选定了8个项目进行研究。

法国拟兴建纳米技术中心，并计划在2004年正式运转。

　　虽然我国科学家在“超级纤维”碳纳米管等个别工作走在了世界的最前沿。

但我国在纳米科技领域的总体水平与美、日、欧相比，差距还是很大。

相信通过中国科学家们的共同努力，我国的纳米技术的研究与发展会上升到一个新水平。

7．纳米碳管的应用

7．1．作为复合材料

由于碳纳米管具有优良的电学和力学性能，被认为是复合材料的理想添加相。

碳纳米管作为加强相和导电相，在纳米复合材料领域有着巨大的应用潜力。

碳纳米管聚合物复合材料是第一个已得到工业应用的碳纳米管复合材料。

由于添加了电导性能优异的碳纳米管，使得绝缘的聚合物获得优良的导电性能。

7.2.作为电化学器件

碳纳米管具有非常高的表面积比，根据直径和分散程度不同，碳纳米管的比表面积在250~3000m2/g，加之优异的导电性能和良好的机械性能，碳纳米管是电化学领域所需的理想材料，是用做制造电化学双层电容器超级电容器电极的理想材料。

7．3．作为氢气存储的材料

碳纳米管储氢（如图五）是具有很大发展潜力的应用领域之一。

室温常压，下约三分之二的氢能从碳纳米管释放出来，而且可被反复使用。

碳纳米管储氢材料在燃料电池系统中用于储氢气存储，对电动汽车的发展具有非常重要的意义。

可取代现用高压氢气罐，提高电动汽车安全性。

研究室碳纳米管储氢以取得许多研究成果，分别获得了单壁碳纳米管4.2w/%，锂掺杂多壁碳纳米管20w/%，钾掺杂多壁碳纳米管14w/%的储氢效果。

图五：

碳纳米储氢实验装置图

1-氢气瓶；2-减压阀；3-氢气净化器；4-压力变送器；5-样品室；

6-电脑；7.-加热恒温套；8-气体测量器瓶；9-真空泵

7．4．作催化剂载体

碳纳米管由于尺寸小比表面积大表面的键态和颗粒内部不同表面原子配位不全等导致表面的活性位置增加是理想的催化剂载体材料碳纳米管作为催化剂载体材料的研究主要集中在活性组分负载于碳纳米管的方法碳纳米管的电学性能对催化的影响碳纳米管独特的管腔结构对催化的影响碳纳米管的储氢性能对催化的影响等方面。

7．5．作场发射装置

学术和工业界对碳纳米管电子器件的研究主要集中在场发射管（电子枪），其主要可应用在场发射平板显示器（FED）、荧光灯、气体放电管和微波发生器。

碳纳米管平板显示器是最具诱人应用潜力和商业价值的领域之一。

7．6．作场效应晶体管

碳纳米管场效应晶体管的研制成功有力地证实了碳纳米管作为硅芯片继承者的可行性。

尤其是目前，在科学家再也无法通过缩小硅芯片的尺寸来提高芯片速度的情况下，纳米管的作用将更为突出。

7．7．制新型太阳能电池

美国科学家利用纳米碳管制作出新型太阳能电池，在吸收等量的光子下能产生更多的光电流，其效能将优于现行的光伏电池。

他们证明纳米碳管做成的光二极管（photodiode）吸收一个光子能产生多组电子空穴对（electron-holepair），不像传统的光二极管只能产生一组。

康乃尔大学参与这项研究的NathanGabor表示，这项技术若能应用于大尺寸的太阳能电池，势必能突破以往转换效率的限制。

7．8．纳米碳管电池电量高于锂电池五倍

美国麻省理工学院（MIT）的研究人员开发出一种利用正极涂层碳纳米管构建新特性锂离子电容和电池的方法，该技术在含氧化学物质中加入纳米碳管涂层，并与锂元素一起大面积产生电流。

这种电池构造能够存储大约现有锂电池的5倍电量，并且还能提高放电能力，取得最佳性能，今后的电动汽车将有望采用这种大容量，高效率的产品。

7．9．纳米碳管独特的催化性能

组装到纳米碳管管道内的金属铑（Rh）和锰（Mn）纳米粒子，作为合成气（一氧化碳和氢的混合物）转化制乙醇反应过程的催化剂，显示出了非常独特的催化性能。

大连催化基础国家重点实验室包信和研究小组的研究结果表明，组装在内径为4～8纳米的多壁碳管内的Rh－Mn催化剂，催化生成碳二含氧化合物（主要为乙醇）的产率明显高于直接担载在相同碳管外壁的催化剂，当添加金属铁和锂等助剂后，每小时在每摩尔铑催化剂上生成的乙醇量高达84摩尔。

综合分析大量的表征结果提出，这类复合催化剂上所表现出的独特催化性能为纳米碳管和金属纳米粒子体系的“协同束缚效应”所致。

美国斯坦福大学Zare教授称赞该项工作为“一个非常重要的发现，应该具有普遍意义和广泛应用”，英国《自然•材料》（NatureMaterials）评委评价这是一项“对后续研究具有很强激发潜力”的重要工作。

7．10．电子领域应用

美国科学家发现，用碳纳米管制成天线，就可以像接收无线电波的天线一样接受光波。

日本NEC公司研究人员证实巴基管有比普通石墨材料更好的导电性，因此碳纳米管不仅可用于制纳米导线模具，还能用来制造导线本身。

物理学家BroughtonJQ认为将来可以采用碳纳米管制造分子水平的线圈筒、活塞和泵等微型零件来组装成微型引擎或其他装置，来恢复病体功能。

利用碳纳米管的电子特性，可用来制作晶体管开头电路或微型传感器元件。

它还可以作锂离子电池的正极和负极，使电池寿命增长。

此外碳纳米管被认为是制造新一代平面显示屏极有希望的材料。

7．11．环境保护领域

利用纳米级集尘灰微粒的特性，发展新的保湿材料，大幅提升土壤之保水能力，提高绿化成功率与速度，可以有效解决沙漠化地带土壤风化和水分流失，造成土壤逐步荒漠化之危机。

8．结束语

　.纳米碳管以其特殊的结构，奇特的力学、化学、电子学性能，其广泛的应用范围和极具潜力的应用价值，吸引了全世界科学家的关注。

有关纳米碳管的研究也更加深入，成为当前重要的国际前沿课题之一，我国科学家在这一领域己经取得了若干重要进展。

纳米碳管具有非常光明的前景，可以相信在未来10年内，随着纳米碳管应用技术及产品的开发，纳米碳管将会对众多领域产生重大而深刻的影响，并给人类带来巨大的利益。

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