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碳納米管及其應用
胡金 2009/4/26
引言
碳納米管是一種具有獨特結(jié)構(gòu)的一維量子材料,由石墨碳原子層卷曲而成,管直徑一般為幾納米到幾十納米,管壁厚度僅為幾納米,長度可達數(shù)微米。由于擁有潛 在的優(yōu)越性能,碳納米管無論在物理、化學還是在材料科學領(lǐng)域都將有重大發(fā)展前景。比如在材料科學領(lǐng)域,碳納米管的長度是直徑的幾千倍,被稱為“超級纖 維”,其性質(zhì)隨直徑和螺旋角的不同有明顯變化。近年來,美國、日本、德國和中國等國家相繼成立了納米材料研究機構(gòu),使碳納米管的研究進展隨之加快,并在制 備及應用方面取得了突破性進展。
一、 碳納米管的性能
1、碳納米管的力學性能
理論和實驗研究表明碳納米管具有極高的強度,理論計算值為鋼的100倍,但其密度僅為鋼的1/6。Treacy等人在透射電子顯微鏡中測定熱致振動的振 幅,結(jié)果表明,碳納米管具有異常高的揚氏模量,平均值為118Tpa。同時碳納米管還具有極高的韌性,十分柔軟,它被認為是未來的“超級纖維”。
2、碳納米管的發(fā)射性能
由于碳納米管具有納米尺度的尖端,有利于電子的發(fā)射,科學家們預言并證實了碳納米管具有極好的場致電子發(fā)射效應。單壁碳納米管的直徑通常僅有 1～2nm,長度可以達到幾十至上百微米,長徑比很大;而且其結(jié)構(gòu)完整性好,導電性很好,化學性能穩(wěn)定,具備了高性能場發(fā)射材料的基本結(jié)構(gòu)特征。但單壁碳 納米管的制備比較困難,迄今為止還沒有單壁碳納米管陣列制備成功的報道。因此,目前在碳納米管場致發(fā)射性能研究領(lǐng)域中以多壁碳納米管的研究較為普遍和活 躍。
3、碳納米管的電磁性能
碳納米管不同的直徑和螺旋度可以使其呈現(xiàn)金屬導電性或半 導體特性。Ebbesen等人直接測量了多壁碳納米管的電導,證明了碳納米管金屬性和半導體性的存在。碳納米管具有獨特的導電性、很高的熱穩(wěn)定性和本征遷 移率,比表面積大,微孔集中在一定范圍內(nèi),滿足理想的超級電容器電極材料的要求。Niu等人將以催化裂解法制備的直徑集中于8nm的多壁碳納米管制成電 極,以38%H2SO4作電解液,在1～100Hz范圍內(nèi)的測定結(jié)果表明,其比電容高達102F/g。關(guān)于碳納米管的磁性和磁化率也有部分報道,其磁化率 比石墨、富勒烯、活性炭、碳黑等其它材料高。
4、碳納米管的吸附性能
由于碳納米管具 有較大的比表面積、特殊的管道結(jié)構(gòu)以及多壁碳納米管之間的類石墨層隙,使其成為最有潛力的儲氫材料,在燃料電池方面有著重要的作用。另外碳納米管也是一種 超強的二惡烷吸附劑,比活性碳高10倍,可用來除去水中的二惡烷。碳納米管的管狀結(jié)構(gòu)使其具有很強的毛細性能,利用該性能可以將金屬或氧化物填充到開口的 碳納米管模板中制成一維的納米材料,如納米金屬導線,這些低維的材料以及技術(shù)可能使微電子器件升級進入納米時代。
5、碳納米管的化學性能
在催化研究方面,碳納米管已被用于分散和穩(wěn)定納米級的金屬小顆粒。由碳納米管制得的催化劑可以改善多相催化的選擇性。
第三版 碳納米管的制備方法
自1991年在電弧放電法合成富勒烯的陰極沉積物中發(fā)現(xiàn)碳納米管以來,人們已經(jīng)成功的研制了多種碳納米管的制備方法,不同方法制備的碳納米管往往在結(jié)構(gòu)和性能方面存在較大差別。下面重點講述了幾種常見的制備方法。
（1）電弧放電法
電弧放電法是最傳統(tǒng)的制備方法,其工藝原理是在真空中充以一定量的惰性氣體,在兩石墨電極之間放電,在陰極獲得碳納米管。此法可獲得石墨化程度高、缺陷少的無序碳納米管,但純度低、分離困難。
（2）激光燒蝕法
激光燒蝕法的基本原理是:在惰性氣體流中用激光蒸發(fā)含有金屬催化劑的石墨靶表面,在石墨上生長碳納米管,隨后收集于銅水冷器。該法中激光可以定量的維持 石墨燒蝕和蒸發(fā),適合于單壁碳納米管的制備。此外該方法可以實現(xiàn)定向生長和連續(xù)生產(chǎn),但反應設備成本高,產(chǎn)率低,不宜于大規(guī)模生產(chǎn),所以商業(yè)化前景小。
（3）碳氫化合物催化裂解法
碳納米管最終要走向大規(guī)模的應用,因此碳納米管的批量生產(chǎn)是人們要解決的首要問題,碳氫化合物催化裂解法是目前公認的最具有商業(yè)化前景的方法。其基本原 理是:在中等溫度下(800～1200K左右),含碳化合物如烴、金屬有機化合物、CO等在金屬催化劑的作用下分解為碳原子,沉積在金屬顆粒的表面,然后 溶解、擴散進入金屬體相,最后析出生長成為碳納米管。
第四版 碳納米管的純化
碳納米管原產(chǎn)品中,除含有催化劑(如Fe,Co,Ni等)外,在制備過程中還同時伴隨著非晶碳(如無定形碳,碳納米顆粒,石墨碎片,碳纖維,SiO2顆 粒等)的生成.這些雜質(zhì)嚴重影響了碳納米管優(yōu)異性能的發(fā)揮,因（未完，下一頁）
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