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碳納米管及其應(yīng)用
胡金 2009/4/26
（接上頁）此,必須對碳納米管進行提純處理.目前常用的提純方法主要有液相氧化法、氣相氧化法和一些其 他特殊方法.
液相氧化法是將碳納米管放在液相的氧化劑中加熱氧化,去除化學(xué)性質(zhì)相對不穩(wěn)定的碳原子,經(jīng)多次離心分離、清洗和烘干后,得 到純凈的碳納米管.純化后的碳納米管其純度和分散性都比較好.該反應(yīng)條件溫和,容易控制,所以比較常用.使用的氧化劑主要包括濃硝酸、濃硫酸、高錳酸鉀和 重鉻酸鉀等.
氣相氧化法是利用氧化劑首先侵蝕化學(xué)活性比較高的不飽和碳原子的機理,通過精確控制純化溫度、純化時間及氣體流速等參數(shù)來 達到提純的目的.根據(jù)氧化氣氛的不同,氣相氧化法可以分為氧氣氧化法、空氣氧化法和二氧化碳氧化法.氣相氧化法反應(yīng)條件容易控制,不需要特殊的實驗裝置, 碳納米管的開口率和純化處理速度都較快,因此是常用的一種純化方法.
此外,還有基于試樣分子尺寸和形狀不同來實現(xiàn)分離的過濾法和空間排斥色譜法(凝膠滲透色譜法),以及基于物質(zhì)離心力不同來實現(xiàn)分離的離心法等方法.其中過濾法雖簡捷、高效且不損壞產(chǎn)品,但成本較高,難以廣泛使用.
二、 碳納米管的應(yīng)用
碳納米管因其獨特的力學(xué)、電學(xué)及化學(xué)等特性,已成為全世界的研究熱點,在場致發(fā)射、納米電子器件、納米機械、復(fù)合增強材料、儲氫材料等眾多領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用。
1、場致發(fā)射材料
碳納米管的尖端具有納米尺度的曲率半徑,在相對較低的電壓下就能夠發(fā)射大量的電子,而且還具有極好的化學(xué)穩(wěn)定性和機械強度,是一種優(yōu)良的場致發(fā)射材料,可用于制作平面顯示裝置,取代體積大、質(zhì)量重、低效的陰極電子管。
2、納米電子器件
碳納米管獨特的電學(xué)性質(zhì)適用于制備納米電子器件。2000年4月,美國國際商用機器公司(IBM)的研究人員成功制造出世界上第一個碳納米管晶體管陣 列,所使用的碳納米管是由碳原子排列而成的微小圓柱體,是現(xiàn)在硅晶體管的1/500,而且無需對它們逐個進行處理。這種三電極的單分子晶體管可使集成電路 的尺寸降低2個數(shù)量級以上,它的發(fā)現(xiàn)是分子電子學(xué)的一個重大進步。
3、納米機械
美國 已經(jīng)制成了納米秤。納米秤與懸掛的鐘擺相似,通過測量振動頻率,可以測出粘結(jié)在懸壁梁一端的微小顆粒的質(zhì)量,它是目前世界上最敏感的和最小的量器。有專家 認為,此納米秤將可以用來衡量大生物分子的質(zhì)量和生物顆粒,例如病毒,還可能導(dǎo)致一種納米質(zhì)譜儀的產(chǎn)生。碳納米管作為探針型電子顯微鏡等的探針,是碳納米 管最接近商業(yè)化的應(yīng)用之一。
4、碳納米管復(fù)合材料
碳納米管復(fù)合材料是碳納米管應(yīng)用研 究的一個重要方向。碳納米管復(fù)合材料不僅可以利用其力學(xué)性能來制備增強復(fù)合材料,而且還可以利用其導(dǎo)電特性等其他性能來制備功能復(fù)合材料。另外,將經(jīng)化學(xué) 修飾的碳納米管衍生物與聚合物共混紡制碳納米管復(fù)合纖維,其不僅具有導(dǎo)電或抗靜電性,還具有高的強度和模量,該類復(fù)合纖維可望應(yīng)用于輕便且刀槍不入的裝甲 和防彈背心或服裝材料。
5、儲氫材料
碳納米管由于具有獨特的納米級尺寸、中空結(jié)構(gòu)和更大的比表面積等特點,使其成為最有潛力的儲氫材料,成為當前的研究熱點。
6、鋰離子電池電極材料
目前,應(yīng)用意義重大的鋰離子電池正朝高能量密度方向發(fā)展,這就必須要尋找一種合適的電極材料,使得電池具有足夠高的鋰嵌入量和很好的鋰脫嵌可逆性,以保 證電池具有高電壓、大容量和長循環(huán)壽命。碳納米管的特殊結(jié)構(gòu)使它可能成為一種優(yōu)良的鋰離子電池負極材料。其大的層間距使鋰離子更容易嵌入脫出,筒狀結(jié)構(gòu)在 多次充放電循環(huán)后不會塌陷,可以大大提高鋰離子電池的性能和壽命。
7、超級電容器電極材料
超級電容器在移動通訊、信息技術(shù)、電動汽車、航空航天和國防科技等方面具有極其重要和廣闊的應(yīng)用�，F(xiàn)在科學(xué)家們正在努力尋找一種電極材料能使得復(fù)合電容器同時具有較高的能量和功率密度。很多學(xué)者用碳納米管取代活性碳作為電極材料,已經(jīng)取得了一些研究成果。
8、催化劑材料
碳納米管由于量子效應(yīng)使其具有特異性催化和光催化等性質(zhì),使人們對其在催化化學(xué)中的應(yīng)用產(chǎn)生極大興趣。由于碳納米管具有獨特的電子、孔腔結(jié)構(gòu)和吸附性能 等,在催化方面主要用作催化劑載體,在加氫、脫氫和擇形催化反應(yīng)中顯示出很大的應(yīng)用潛力。碳納米管一旦在催化化學(xué)上獲得應(yīng)用,就能極大地提高反應(yīng)的活性和 選擇性,有望產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。
參考文獻
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