烦死个人了
范文一：纳米管
百科名片
纳米管比人的头发丝还要细1万倍，而它的硬度要比钢材坚硬100倍。它可以耐受6500°F（3593℃）的高温，并且具有卓越的导热性能。纳米管既可以用作金属导电体，比金的电高多得多，也可以用作制造电脑芯片所必须的半导体。纳米管在极低的温度下还具有超导性。
目录
简介
分类
技术
功用
性质
历史
展开
简介
分类
技术
功用
性质
历史
展开
编辑本段简介
世界上有很多研究小组都在研发结构紧凑、效率更高的电脑，而随着集成电集成度的不断提高，芯片散热
??电脑描绘的碳纳米管模式图
的问题也就显得愈加突出。研究人员测算发现，纳米管的导热性能与已知的最佳热导体钻石几近，甚至纳米管的导热性能最终能达到钻石的两倍。摆在电脑设计人员面前的另一个问题是电路体积的缩小。研究人员发现采用硅芯片的容量最终将受制于物理障碍。那么，采用分子技术则是势在必然。如果说越小越好，那么纳米管理所当然是最好的材料。纳米管的管壁可以薄到只有一个原子，呈六角形排列的碳原子所构成的中空管直径比一根人发还要细1万倍。纳米管的长度可以达到其厚度的数千倍，这使它们具备了多种功用。
编辑本段分类
纳米管的类别有：硅纳米管、单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、功能化多壁碳纳米管、短多壁碳纳米管、工业化多壁碳纳米管、石墨化多壁碳纳米管、大内径薄壁碳纳米管、镀镍碳纳米管。
编辑本段技术
纳米管的技术主要体现在纳米技术。纳米技术是20世纪80年代末期刚刚诞生并正在迅速崛起的用原子和分
??纳米管
子创制新物质的技术，是研究尺寸范围在在一百纳米以下的物质的组成，在这种水平上对物质和材料进行研究处理的技术称为纳米技术。美国的国家纳米科技启动计划（National Nanotechnology Initiative）将其定义为“1至100纳米尺寸间的物体，其中能有重大应用的独特现象的了解与操纵。” 这个极其微小的空间，正好是原子和分子的尺寸范围，也是它们相互作用的空间。在这样的一个尺度空间，由于量子效应、物质的局域性及巨大的表面和界面效应，使物质的很多性能发生质变。纳米科技是学习纳米尺度下的现象以及物质的掌控，尤其是对现存科技在纳米研究的延伸。纳米科技的世界为原子、分子、高分子、量子点和高分子集合，并且他们的表面效应有着显著的特点，如范德瓦耳斯力、氢键、电荷、离子键、共价键、疏水性、亲水性和量子隧穿等，而惯性和湍流等在大的物体时显示的效应则小得可以被忽略掉。
编辑本段功用
在纳米管应用于电脑运算的发展进程中，一个重要的里程碑就是把纳米管制造成电脑中所用的开关或晶体管。1998年，IBM公司所属威特森研究中心的一个研究小组即以此为目标进行了研究。研究人员证明单个
??应用
的纳米管可以具有晶体管的作用，而且提高了其晶体智的导电性能。
然而，应用于电脑运算也只是纳米管展露其优越性的一个方面。人们可以把这些微型管粘合在一起，制成纤维或绳索，用作超导线缆，或者塑料及其他高级材料的超强加固剂。如果纳米管具备极强的挠性、强度和恢复力，它们将可合成高性能的体育和航空材料。由于其强大的张力，它们具有弯而不折且能恢复原来形状的特殊性能。
此外，纳米管还可应用于最需要导热性能的地方。例如，电动机如果采用纳米管做散热片，其中的塑料部件就不会被高温所熔化。这种微型材料还可置入需要耐受极度高温的材料之中，如飞机和火箭外部的嵌板等。美国国家航宇和宇航局期望将纳米管置入从防热层到宇航服等各种设施之中。
能源公司对纳米管也刮目相看。纳米管可以用来制造更小、更轻、效能更高的燃料电池，它还能够用于贮存用作能源的氢气。研究人员在平玻璃片或其他材料上把无数个纳米管排列起来，让它们看起来像一片收割的整齐麦田。日本的NEC和韩国的三星公司准备将这种由纳米管组成的“田野”做成电视机的显示屏，以取代目前电视机所采用的老式阴极射线管。
编辑本段性质
电学性质
纳米碳管的电学性能包括导电性能和超导特性两个部分，其中前一部分研究得最多。理论与实验均证实纳米碳管的导电性质与其微结构有着密切的关系。早期的实验发现，一些纳米碳管应是金属或窄能隙的半导体。1996年，Langer等人开始用两电极法研究单根多壁纳米碳管的输运特性，而Ebbesen等人为了避免样品的不良电接触，改用四电极法测量了单根多壁纳米碳管的电学特性。从单根多壁纳米碳管的电阻R来看，它们的差别确实很大，有些纳米碳管属于金属，而另一些属于半导体。一些研究组的实验显示，纳米碳管的电学性能与螺旋度有密切关联。
热学性质
纳米碳管最令人瞩目的热学性能是导热系数。理论预测纳米碳管的导热系数很可能大于金刚石而成为世界上导热率高的材料。不过，测量单根纳米碳管的导热系数是一件很困难的事情，目前还没有获得突破。将电弧法制备的单壁纳米碳管轧成相对密度为70%，尺寸为5mm×2mm×2mm的方块，Hone测得了室温下未经处理的纳米碳管块材的导热率为35W/（M·K），该值远小于理论预测值。显然，纳米碳管块材中的空隙和纳米碳管之间的接触都将极大地减小纳米碳管块材的导热率。而且，与石墨相类似，纳米碳管沿轴方向与垂直于轴向方向的导热能力应有很大的不同。因此，该结果不能代表纳米碳管的实际热率。正如单根纳米碳管的电导率是纳米碳管体材料的电导率的50—150倍一样，如果单根纳米碳管的电导率也是如此，那么纳米碳管的导热率应为1750—5800W/（M·K）。通过测量纳米碳管块材的导热率与温度的关系曲线可以推断，纳米碳管的导热是由声子决定的，并就此估计出纳米碳管中声子的平均自由程约为0.5—1.5μm。
利用X射线衍射和透射电子显微镜研究纳米碳管在5.5Gpa下的热稳定性也取得了重要进展。根据以往的研究，在常压真空条件下纳米碳管的热稳定性非常好，其结构在2800℃以下可能并不发生变化。实验发现，在5.5Gpa压力下，虽然纳米碳管的微结构在低温时没有发生明显的改变，但在950℃即开始发生变化，转变成类巴基葱和类条带结构，而在1150℃时转变成石墨结构，高压是这种转变的主要原因，高压可以促使纳米碳管结构的破裂，从而降低它的热稳定性。
编辑本段历史
1991年，日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛（Iijima）在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Carbon nanotube”，即碳纳米管，又名巴基管。
1993年，S.Iijima等和DS。Bethune等同时报道了采用电弧法，在石墨电极中添加一定的催化剂，可以得到仅仅具有一层管壁的碳纳米管，即单壁碳纳米管产物。
1997年，AC.Dillon等报道了单壁碳纳米管的中空管可储存和稳定氢分子，引起广泛的关注。相关的实验研究和理论计算也相继展开。初步结果表明：碳纳米管自身重量轻，具有中空的结构，可以作为储存氢气的优良容器，储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。适当加热，氢气就可以慢慢释放出来。研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带式的储氢容器。据推测，单壁碳纳米管的储氢量可达10%（质量比）。此外，碳纳米管还可以用来储存甲烷等其他气体。
开放分类：
纳米技术
我来完善“纳米管”相关词条：
量子点纳米线纳米粉体纳米纤维
百度百科中的词条正文与判断内容均由用户提供，不代表百度百科立场。如果您需要解决具体问题（如法律、医学等领域），建议您咨询相关领域专业人士。
86本词条对我有帮助
添加到搜藏
分享到:
范文二：碳纳米管(CNTs)
碳纳米管（CNTs）
班级：材料化学班 姓名：唐建 学号：20110513427
摘要：1991年日本NEC公司的饭岛纯雄(Sumio Iijima)首次利用电子显微镜观察到中空碳纤维，直径一般在几纳米到几十个纳米之间，长度为数微米，甚至毫米，称为“碳纳米管”。从此便引发了碳纳米管研究的热潮和近十几年来碳纳米管科学和技术的飞速发展。本文主要分为两部分：
1、对纳米材料及碳纳米管的相关知识进行介绍
2、于应用层次，讨论纳米材料及碳纳米管的应用前景
关键字：纳米材料概述 碳纳米管 热点及应用
1、引言
生物科学技术、信息科学技术、纳米科学技术是下一世纪内科学技术发展的主流。生物科学技术中对基因的认识，产生了转基因生物技术，可以治疗顽症，也可以创造出自然界不存在的生物；信息科学技术使人们可以坐在家中便知天下大事，因特网几乎可以改变人们的生活方式。而纳米科学技术作为二十一世纪的主导产业，又将给人们带来怎样天翻地覆的改变呢？??
2、理论知识
2.1 纳米材料概述
纳米材料:指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料。从材料的结构单元层次来说，它处于宏观物质和微观原子、分子之间的介观领域。在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。
纳米科学技术：研究在千万分之一米(10-8)到亿分之一米(10-9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工又被称为纳米技术。
2.2 纳米材料的特性
2.2.1纳米材料的体积效应
体积效应中的典型例子是久保理论。其是针对金属纳米粒子费米面附近电子能级状态分布而提出的。该理论把金属纳米粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限制的简并电子态，并进一步假设它们的能级为准粒子态的不连续能级，并认为相邻电子能级间距δ和金属纳米粒子的直径d的关系为:δ=4EF/3N ∞V-1 ∞1/d3（其中N为一个金属纳米粒子的总导电电子数，V为纳米粒子的体积；EF为费米能级）。 随着纳米粒子的直径减小，能级间隔增大，电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽，金属导体将变为绝缘体。
2.2.2 .纳米材料的量子尺寸效应
当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为纳米材料的量子尺
寸效应。在纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米粒子的一系列特殊性质，如高的光学非线性，特异的催化和光催化性质等。当纳米粒子的尺寸与光波波长，德布罗意波长，超导态的相干长度或与磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常。
2.3 纳米材料的分类
2.2.1 按结构分类
零维纳米材料：量子点纳米粒子
一维纳米材料：如纳米线(量子线)、纳米管
二维纳米材料：薄层
纳米孔材料：如介孔分子筛
2.3.2 按组成分类
金属纳米材料
半导体纳米材料
有机和高分子纳米材料
复合纳米材料??
2.4 碳纳米管概述
碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)是1991年才被发现的一种碳结构,它是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状"纤维"，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米。理想碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体，这样的材料很轻，但很结实。它的密度是钢的1/6，而强度却是钢的100倍。
2.5 碳纳米管历史与发展
人们公认的观点认为，纳米科学技术思想的来源是理查德·费曼，他被看作爱因斯坦之后最杰出的量子物理学家，在1959年的美国物理学年会上发表的一篇演讲：《底部有很大空间》。1991年，理论上预计了碳纳米管具有许多的奇特电学性能，几乎同时NEC公司S Iijima在高分辨电子显微镜下观察采用电弧法制备的富勒烯中发现了一种管状结构，经过研究表明它们是同轴多层富勒管，被称为多壁碳纳米管，随后NEC公司的TW Ebbesen和PM Ajayan找到大量制备多壁碳纳米管（MWNT）方法。1993年S. Iijima和IBM公司的研究小组同时报道观察到了单壁碳纳米管（SWNTs）。在SWNTs的物理性质的研究开始于1995年，Rice大学的Richard Smalley研究小组发现激光蒸发方法可以得到极高产率的SWNTs。此后，法国Montpellier大学的Bernier研究小组采用电弧法也可以得到高产率的SWNTs。1998年，中国科学院金属研究所成会明研究小组采用催化热解碳氢化合物的方法也得到较高产率的SWNTs。
2.6 碳纳米管的制法
2.6.1 综述
碳纳米管主要制备法方法有电弧法、热解法和激光刻蚀法。其中电弧法（与Wolfgang-Kratschmer法制备富勒烯类似）为在惰性气体气氛中，两根石墨电极直流放电，阴极上产生碳纳米管。热解法就是采用过渡金属作催化剂，700－1600K的条件下，通过碳氢化合物的分解得到碳纳米管。激光刻蚀法采用激光刻蚀高温炉中的石墨靶子，碳纳米管就存在于惰性气体夹带的石墨蒸发产物中。碳纳米管的形成过程游离态的碳原子或者碳原子团，发生
重新排布的过程。制备SWNT时，必须添加一定数量的催化剂，如过渡元素（Ni、Co、Fe等），或者镧系元素（Ld、Nd、La、Y等），或者它们的混合物。催化剂在SWNTs的生长过程中，能够降低弯曲应力，促进碳原子排列整齐并且阻止SWNTs两端的富勒烯分子的形成。得到的碳纳米管的直径和直径分布主要取决于制备方法、催化剂的种类、生长温度等反应条件。
2.6.2 碳纳米管的进一步加工--- CNTs的功能化
目的：提高CNT的溶解
度，有助于纯化，并引入新的
性能。
方式（与图中对照）：
共价功能化：
A：端口功能化
B：侧壁功能化
非共价功能化：
C：表面活化剂功能化
D：聚合物功能化
E：内腔功能化
2.7 碳纳米管的分类
根据碳纳米管管壁中碳原子层的数目被分为单壁和多壁碳纳米管。
2.7.1 单壁碳纳米管（SWNTs）
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(Single walled carbon nanotube, SWNT)。
SWNT的直径一般为1－6 nm，最小直径大
约为0.5 nm，与C36分子的直径相当, 但
SWNT的直径大于6nm以后特别不稳定，会
发生SWNT管的塌陷，长度则可达几百纳米
到几个微米。因为SWNT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。
2.7.2 多壁碳纳米管（MWNT）
多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes,
MWNTs）：含有多层石墨烯片。形状象个同轴
电缆。其层数从2～50不等，层间距为0.34±
0.01nm，与石墨层间距(0.34nm)相当。多壁管
的典型直径和长度分别为2～30nm和0.1～50
μm。 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。
2.8 碳纳米管的物理性质
1、高的机械强度和弹性。
2、强度≥100倍的钢，密度≤1/6倍的钢
3、优良的导体和半导体特性（量子限域所致）
4、高的比表面积
5、强的吸附性能
6、优良的光学特性
7、发光强度随发射电流的增大而增强??
3、应用层次上的研究
3.1 纳米科技新热点、新发现及前景预测
材料和制备
在纳米尺度上，通过精确地控制尺寸和成分来合成材料单元，制备更轻、更强和可设计的材料，同时具有长寿命和低维修费用的特点。
微电子和计算机技术
纳米结构的微处理器的效率提高1兆倍，并实现太比特的存储器(提高1000倍)；研制集成纳米传感器系统。
环境和能源
发展绿色能源和环境处理技术，减少污染和恢复被破坏的环境.如把孔径lnm的纳孔材料作为催化剂的载体，成倍的提高太阳能电池的能量转换效率；将有序纳米孔材料和纳米膜材料(孔径l0~l00nm)用来消除水和空气中的污染等。 医学与健康
纳米级粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排斥反应；应用纳米传感器系统进行疾病的早期诊断。
生物技术
在纳米尺度上按照预定的对称性和排列制备具有生物活性的蛋白质、核糖核酸等，在纳米材料和器件中植入生物材料使其兼具生物功能和其他功能，生物仿生化学药品和生物可降解材料；动植物的基因改善和治疗，测定DNA的基因芯片等。
航天和航空
纳米器件在航空航天领域的应用，不仅是增加有效载荷，更重要的是使耗能指标成指数倍的降低。这方面的研究内容还包括：研制低能耗、抗辐照、高性能计算机；微型航天器用纳米集成的测试、控制电子设备；抗热障、耐磨损的纳米结构涂层材料。
国家安全
由于纳米技术对经济社会的广泛渗透性，拥有纳米技术知识产权和广泛应用这些技术的国家，将在国家经济安全和国防安全方面处于有利地位。通过先进的纳米电子器件在信息控制方面的应用，将使军队在预警、导弹拦截等领域快速反应；通过纳米机械学，微小机器人的应用，将提高部队的灵活性和增加战斗的有效性；用纳米和微米机械设备控制，国家核防卫系统的性能将大幅度提高；通过纳米材料技术的应用，可使武器装备的耐腐蚀、吸波性和隐蔽性大大提高，可用于舰船、潜艇和战斗机等。
3.2 碳纳米管的潜在应用
碳纳米管具有奇异的物理化学性能，如独特的金属或半导体导电性、极高的机械强度、储氢能力、吸附能力和较强的微波吸收能力等，90 年代初一经发现即刻受到物理、化学和材料科学界以及高新技术产业部门的极大重视。应用研究表明，碳纳米管可用于多种高科技领域。如用它作为增强剂和导电剂可制造性能优良的汽车防护件；用它作催化剂载体可显著提高催化剂的活性和选择性；碳纳米管较强的微波吸收性能，使它可作为吸收剂制备隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料等。碳纳米管被认为是一种性能优异的新型功能材料和结构材料，世界各国均在制备和应用方面投入大量的研究开发力量，期望能占领该技术领域的 制高点。
3.2.1 碳纳米管电导性质的应用
碳纳米管的直径一般为几纳米至几十纳米，长度为几至几十微米。碳纳米管的直径和长度以及结构随不同的制备方法及条件的变化而不同，从而影响到碳纳米管的物理性质。如碳纳米管可以因直径或手性的不同而呈现很好的金属导电性(椅型碳管)或半导体性。而在小直径的纳米碳管中量子效应尤为明显，作为典型的一维量子输运材料，用具有金属性的单层碳纳米管制成的三极管在低温下表现出典型的库仑阻塞和量子电导效应。碳原子经过稍微诱导，即可自动排列成与原子尺度上的镀锌铁丝网圆筒相似的管状结构。这种单层碳纳米管是已知最坚固的物质之一，能像导线中的金属或硅片中的半导体那样导电，甚至能做到导电时没有电阻。根据这些性质碳纳米管既可作为最细的导线被用在纳米电子学器件中，也可以被制成新一代的量子器件。实验中已经发现SWNTs是真正的量子导线。与此同时，通过理论计算表明如果把一根具有金属性的SWNT和一根具有半导体性的SWNT联接，可以形成全碳的SWNT杂化结，它具有一定的半导体特性，可以用作纳米级热敏电阻和光激发或电压激发的电子开关，可能用于微电子器件，而解决当前以硅为基础的电子装置微型化过程的器件中发热限制。
3.2.2 碳纳米管容纳效应的应用
新型储氢介质：
对SWNT的吸氢过程研究发现，氢可能以固体形式填充到SWNT的管体内部以及SWNT束之间的孔隙，因此SWNT具有极佳的储氢能力。推测SWNT的储氢量可达10％（重量比）, 因此碳纳米管又可以用作储氢材料。氢分子吸附在纯SWNT、MWNT和碱金属掺杂的SWNT，极大的刺激了对纳米碳材料储氢性能的理论和实验的研究，寻找经济、安全的氢存储介质是氢燃料交通系统关键的部分。
贮存高密度甲烷
用加热和氧化的方法处理纳米碳材料，然后在这些圆锥形的碳材料侧面开许多１纳米左右的“小窗”，将甲烷通过小孔送到碳材料内部。进入内部的甲烷气体紧紧聚成１０个左右的气体团，密度接近液体密度。常温下，即使给甲烷气体加上高压，它的密度也只能达到液体的５％左右。
3.2.3 碳纳米管的燃烧特性应用
科学家发现碳纳米管燃烧特性：
美国一年轻研究人员在一次偶然中发现，普通的闪光能使高科技碳纤维发生燃烧。该效应给碳纤维又增加了一项非凡的特性——当它们暴露在普通闪光下的时候就会起火燃烧，并且这一特性可被应用于从火箭科学到纳米技术的多个领域中。南卡罗来纳州克莱姆森大学的物理学家David Carroll表示，人们能直接应用光导燃烧现象。举例来说，可以用它控制可燃物的燃烧。
Carroll说：“我预计它可能在固体推进剂中得到应用，例如航天飞机的固体火箭发动机。” 加州大学圣迭戈分校的材料化学家Michael Sailor指出，光敏纳米管可用来引发极其微小的“纳米爆炸”，以便完成微型遥控化学试验，从里到外杀死肿瘤，或者甚至用来驱动微型机器人。
3.2.4 碳纳米管的原子高表面率应用
作为催化剂载体的研究 ：
纳米材料比表面积大，表面原子比率大(约占总原子数的50％)，使体系的电子结构和晶体结构明显改变，表现出特殊的电子效应和表面效应。如气体通过碳纳米管的扩散速度为通过常规催化剂颗粒的上千倍，极大提高了催化剂的活性和选择性。碳纳米管作为纳米材料家族的新成员，其特殊的结构和表面特性、优异的储氢能力和金属及半导体导电性，使其在加氢、脱氢和择型催化等反应中具有很大的应用潜力。碳纳米管一旦在催化上获得应用，可望极大提高反应的活性和选择性，产生巨大的经济效益。
电双层电容的电极材料（多种性质的综合应用）
电双层电容是一种能量存储装置。除容量较小（一般为二次镍镉电池的1％）外，电双层电容的其它综合性能比二次电池要好得多，如可大电流充放电，几乎没有充放电过电压，循环寿命可达上万次，工作温度范围宽等。电双层电容在声频-视频设备、调谐器、电话机和传真机等通讯设备及各种家用电器中得到了广泛应用。作为电双层电容电极材料，要求材料结晶度高，导电性好，比表面积大，微孔大小集中在一定的范围内。而目前一般用多孔炭作电极材料，不但微孔分布宽(对存储能量有贡献的孔不到30％)，而且结晶度低，导电性差，导致容量小。没有合适的材料是限制电双层电容在更广阔范围内使用的一个重要原因。而碳纳米管比表面积大，结晶度高，导电性好，微孔大小可通过合成工艺加以控制，因而有望成为一种理想的电极材料。美国Hyperion催化国际有限公司报道，以催化裂解法制备的碳纳米管（管外径约8nm）为电极材料，以38wt%H2SO4为电解液，可获得大于113F/g的电容量，比目前多孔炭电容量高出2倍多。目前以碳纳米管为电极材料的电双层电容，其重量比功率已超过8kw／kg，使其有可能作为电动汽车的启动电源使用。
3.2.5 碳纳米管的光学性质
碳纳米管可被用来传输量子密码:
碳纳米管能够吸收与发散光波。利用碳纳米管材料的这一新特性，未来可望使量子密码技术以及单分子传感器变成现实。在室温条件下，碳纳米管能够吸收较窄频谱的光波，并能稳定地散发还原光波。这意味着碳纳米管材料具有传输、储存和恢复光波信号的新性能。利用强力聚焦的激光照射碳纳米管，研究人员发现，碳纳米管能够吸收光波，并以新的频谱发散光波，这些新频谱携带着反映碳纳米管材料物理特性的信号。进一步的研究表明，碳纳米管材料可以还原发散与原来所照射的频谱完全相同的光波。利用碳纳米管材料的这一新特性，未来可以通过碳纳米管材料来传输、储存和恢复以光信号传送的密码，应用于量子级密码传输技术；另外，也可制成能探测物质单个分子的纳米传感器，以帮助有关物质分子特性的科学研究。
碳纳米管的发光发热
法国里昂大学的研究人员最新发现，当电流通过碳纳米管时，碳纳米管呈现出一种可发光的特征，如果通过纳米管电流的电位足够的大，碳纳米管
一端的电子将脱离表面，飞到阳极，发生静电子发射现象。当温度达到1500K时，纳米管开始发光，所发出的是白炽光，而不是荧光。有关专家认为，上述科研成果能在许多方面取得实际应用。比如，可以用碳纳米管制成极好的发光、发热、发射电子的准点光源，制成平面显示器等。
碳纳米管中的激光：
日本科学家最近利用碳纳米管产生了９０００亿赫兹的高频脉冲激光，这种脉冲激光在观察超高速物理、化学现象，工业加工技术等领域将有广阔的应用前景。因为碳纳米管是由碳原子网卷成的空心圆柱，使得波长在
1.2-2.0 um范围内的光能很好地被不同结构的单层碳纳米管吸收。单层碳纳米管在光波长为1.55 um时，具有“可饱和吸收效果”，即如果光的强度进一步增大，材料的光吸收率反而会下降。利用碳纳米管的这一特点，研究人员得到了频率为９０００亿赫兹的脉冲激光。并且碳纳米管比起其他可饱和吸收材料来，性质更加稳定，成本也较低。
碳纳米管作为微波吸收剂：
由于特殊的结构和介电性质，碳纳米管(CNTs)表现出较强的宽带微波吸收性能，它同时还具有重量轻、导电性可调变、高温抗氧化性能强和稳定性好等特点，是一种有前途的理想微波吸收剂，有可能用于隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。例如，可将其用于新型隐形飞机的研制开发。
3.2.6 碳纳米管物理高强度的应用
石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。而碳纳米管的结构是比较完整的石墨烯网格，而且由于缺陷很少，SWNT的强度应该接近于碳碳键强度。理论计算表明：碳纳米管的强度比钢高100多倍，杨氏模量被估计为可高达5 TPa，这是目前可制备出的具有最高比强度的材料，而比重却只有钢的1/6；同时实验观察也表明碳纳米管还具有极高的韧性,十分柔软，这表明它们能够在大的应力下不发生脆性断裂。此外，它具有直径小、长径比大的特点，被认为是未来的“超级纤维”，复合材料中极好的加强材料，可用于高级复合材料的增强体或者形成轻质、高强的绳索，可能用于宇宙飞船及其它高技术领域。另外，用这样轻而柔软、又非常结实的材料做防弹背心是最好不过的了。
4、结语
信息、生命和纳米三大科学技术是21世纪初科学技术发展的主流，在这些领域的竞争十分激烈。而纳米科技将成为２１世纪的主导技术。其中，纳米材料充当着重要角色.，而碳纳米管被誉为“纳米材料之王”，其重要性可见一斑。
未来的碳纳米管领域中有太多的未知数，等待着我们去发现，去探索?
参考文献：1、碳纳米管（CNTs）—— “新时代的宠儿”，赵婧 李坤桦 宋杨 刘
涛，北京大学化学与分子工程学院，2006级普化论文
2、碳纳米管简介，潘春旭，武汉大学物理科学与技术学院
3、碳纳米管的功能化研究进展，肖素芳 王宗花 罗国安，分析化学
评述与进展，第 2期261～266
范文三：碳纳米管
1. 试述碳纳米管的结构特点
碳纳米管是由单层或多层石墨片围绕同一中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管结构，两端通常被由五元环和七元环参与形成的半球形大富勒烯分子封住，端口的结构遵循鼎足五边形定则和欧拉定理。端帽大部分都被认为是在六方网格状的碳纳米管中掺杂着五元环或者七元环的拓扑缺陷。每层纳米管的管壁是一个由碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形网络平面所围成的圆柱面(图1)。CNT根据管状物的石墨片层数可以分为单壁碳纳米管(SWNTs) 和多壁碳纳米管(MWNTs)。
图1SWNT的结构示意图
(1)单壁碳纳米管的结构
单壁碳纳米管在概念上可被认为是卷起来的单层石墨烯，直径大小分布范围小、缺陷少，具有更高的均匀一致性，是理想的分子纤维。SWNT的管径一般为0. 7～3. 0 nm，长度为1～50 μm，是一种理想的纳米通道，可用作储氢材料、半导体及场发射材料等。
SWNT可看做是由单层石墨烯片卷曲成的，在石墨烯片层卷成圆柱体的过程中，边界上的悬空键随即结合，从而导致碳纳米管轴方向的随机性。在一般的碳纳米管结构中，碳原子的六边形格子是绕成螺旋型的，碳纳米管具有一定的螺旋度，如果将SWNT的石墨烯面沿纵向展开，就呈现类似于石墨烯面的二维几何形态。
碳纳米管的结构参数都能够由( n，m) 指数来确定。不同的( n，m) 对应不同的手性矢量、手性角、卷曲方式、直径和周长等结构参数。根据卷起的方向矢量(n，m)不同，SWNT大致可呈现金属性(n－m = 3k，k为整数，无能隙)或半导体性(n－m ≠ 3k，k为整数，有能隙)。根据折起的外部形态的不同，SWNT可分为扶手椅式、锯齿式和手性式。通常，当m=n时，称为扶手椅型管; 当m=0时，称为锯齿型管; 其他则一般称为手性管。
图2几种不同类型的单壁碳纳米管
(2)多壁碳纳米管的结构
MWNT是由几层到几十层石墨烯片同轴卷曲而成的无缝管状物。其层数从2到50不等，层间距为(0.34±0.01) nm，与层间距0.335 nm的石墨相当，且层与层之间排列无序。通常多壁管直径为2～30nm，长度为0.1～50μm。MWNT的形成过程中，管端、层的表面、层与层之间很容易形成五元环或七元环等缺陷中心，当出现五元环时碳纳米管就会凸出，出现七元环则会凹进。如果五元环或七元环出现在碳纳米管的顶端，则成为碳纳米管的封端。
2. 简述制备碳纳米管的原理和主要方法
目前，激光蒸发石墨法、化学气相沉积法、电弧放电法、热解聚合物法、电子束辐射法等为制备碳纳米管比较常用的方法。
（1）电弧放电法
电弧放电法是最早应用，也是最主要的制备方法，目前主要用于制备SWNT。电弧放电蒸发消耗阳极石墨的同时，CNT在阴极石墨上沉积。电弧法简单快速，CNT结晶度高，但产量低，产品易烧结成束，非晶碳杂质多.
电弧放电法的原理如图3所示，将石墨电极放在充满惰性气体（He、Ar、N2）的反应容器中，较粗的石墨棒称为阳极，较细的的石墨棒称为阴极。阳极和阴极的两极之间产生电弧放电，这个时候两极之间的温度可达到4000摄氏度左右，阳极的石墨棒被蒸发，在阴极沉积生成碳纳米棒。用电弧放电法所生成的物质中，仅有单壁和多壁碳纳米管等正常的生成物生成，还有类似于富勒烯和无定形碳等的生成，在此过程中生的富勒烯和无定形碳被认为是杂质。通过改变催化剂的种类和容器中惰性气体的含量，可以调节这几种产物的产量，一般情况下，我们认为在高气压低电流的情况下，对碳纳米管的生成有着促进的作用。
图3电弧放电法制备碳纳米管原理图
（2）激光蒸发石墨法
利用激光来蒸发石墨和过渡金属催化剂的混合物来制备碳纳米管的方法是激光法，一般激光法所使的保护性气体为氢气。1995年Smalley等人在电炉中获得了单壁和多壁碳纳米管，所使用的方法就是激光法，这来源于制备石墨烯的石墨电弧放电法。激光蒸发石墨法的原理如图4所示，在1200摄氏度的电阻炉中，用激光器激发炉中的石墨靶，然后通入的流动的氩气，这样就可以使激发所产生的产物沉积到水冷铜的收集器上。所生成的产物在1000摄氏度的真空环境中热处理，一些杂质就可以升华掉，这样就得到纯度很高的碳纳米管。因为碳的沸点比较高，而且对于能量密度来说，激光器和其他的装置相比具有很大的优势，所以激光器特别适合于蒸发碳。所用的激光器一般为YAG或者CO2激光器。采用激光蒸发石墨法得到的SWNTs的质量非常的高，同时此方法也可以有效地控制碳纳米管的直径。因为提高电炉温度、改变催化剂种类或者改变气体流速都可以影响碳纳米管的直径，从而达到生产特定碳纳米管的目的。
激光蒸发石墨法产物纯度高、易于连续生产的优点，但是也有一定的缺点，比如产量相对不高，使用设备复杂昂贵，难以进行大规模工业生产，只能应用于科学研究中。
图4激光蒸发石墨法制备碳纳米管原理图
（3）化学气相沉积法
化学气相沉枳法，又称为催化裂解法，因为需要催化剂的作用，
故也可以称为催化化学
气相沉积法。CVD是一种广泛用来合成各种纤维及其它合成材料的方法，现在已经成为制备碳纳米管的主要方法。基本原理是在高温下，通过催化剂的催化作用，使碳氢化合物等含碳气体热解，从而用来制备碳纳米管。最常用的烃是乙炔、乙烯和甲烷，最常用的催化剂是铁、钴或者镍。CVD是电弧放电法和激光蒸发石墨法之后的另一种特别高效的制备方法，其最大的优点是可以规模化生产和成本较低，化学气相沉积方法的生产温度低于1000摄氏度，很容易实现这种条件，一般用于生产多壁碳纳米管，但是自从1993年证明了单壁碳纳米管的存在以来，此方法也被广泛应用于制备单壁碳纳米管。化学气相沉积法制备碳纳米管的原理如图所示，先在管式炉中把金属催化剂加热到500到1000摄氏度，然后在一定的时间内往管式反应器中通入一定量的烃类气体。此过程的基本原理是烃原子在催化金属的作用下催化分解出碳原子，使碳原子在金属纳米颗粒中达到饱和，而后从这些颗粒中沉积出来，就会形成轨道SP2杂化的固体管式碳结构，即碳纳米管。化学气相沉枳法有着其独特的优点，例如控制起来十分方便、操作起来十分容易、效率高和大规模生产的难度很低，基本符合工业化生产的条件。此种方法的缺点是生产的碳纳米管含有许多杂质，而且碳纳米管不直，层数相对来说也比较多，因此需进一步提纯。
图5化学气相沉积法制备碳纳米管原理图
参考文献
[1]孟祥艳. 碳纳米管的结构和光学性质研究[D].山东大学,2013.
[2]刘剑洪,吴双泉等. 碳纳米管和碳微米管的结构、性质及其应用[J]. 深圳大学学报(理工版),2013,(01):1-11
.
范文四：储氢碳纳米管
碳纳米管储氢性能的研究
学院：材料学院 班级：1109102 学号：1110910209 姓名：袁皓
摘要：综述了近年来研究人员在碳纳米管制备以及在各种不同条件下获得的储氢性能,分析了碳纳米管的储氢机理。从实验、理论研究两个方面总结了前人在碳纳米管储氢上的研究成果,并对碳纳米管储氢吸附方式,吸附量影响因素等方面做出分析。最后指出为实现碳纳米管储氢大规模应用仍需做的一些基础性研究工作。
关键词：碳纳米管;吸附;储氢
氢能以其资源丰富、可再生、热效率高等优点备受关注。氢能的使用包括氢的生产、储存和运输等方面，开发氢能的关键问题是如何对氢进行储存。储氢的主要方法有：金属存储、压缩存储、液化存储和吸附存储等，它们各有优缺点。碳纳米管因其特殊的力学、电学等性质而成为储氢的主要载体。Kroto等发现了C60以后，Iijima意外地发现碳纳米管。由于碳纳米管具有优良的电学、力学性质，世界各国迅速展开了对碳纳米管的制备方法、结构与性能的研究。Dillon等报道了碳纳米管储氢作用，相关报道也比较多。 因为碳纳米管具有比较大的比表面积，且具有大量的微孔，其储氢量远远大于传统材料的储氢量，因此被认为是良好的存储材料。
一 碳纳米管的结构和性质
碳纳米管(Carbon Nanotubes, CNTs)首次是在1991年由日本的电子显微镜专家Iijima分析电弧放电产生的阴极沉积物时意外发现的,可以被看成是由石墨面卷曲而成的无逢管状结构,后发现可以通过化学处理使两端开口。根据组成碳纳米管管壁中碳原子层数目,碳纳米管可被分为单壁碳纳米管(Single -Walled Carbon Nanotubes, SWNTs )和多壁碳纳米管(Multi-Walled Carbon Nanotubes,MWNTs)。结构模型如图：
单壁碳纳米管仅由一层碳原子构成,是多壁碳纳管的一种特殊情况。单壁碳纳米管直径一般在1 -3nm,最小直径大约为0. 5nm,当直径大于3nm时会表现出不稳定性。单壁碳纳米管通常因范德华力作用而形成10 -100管束状。多壁碳纳米管可以看成为不同管径的单壁碳纳米管套装而成,少则2层多达几十层,层距约为0.343nm,略大于石墨片层之间的距离0. 335nm。碳纳米管直径在几纳米到几十纳米之间,而长度可达数微米,具有较大的长径比。因此,人们认为碳纳米管是一种典型的准一维纳米材料,并且因其重量轻,六边形完美结构而表现出许多异常的力学、电磁学、化学特性,并在不同领域里得到广泛的应用。其中碳纳米管在吸附氢气上表现出的独特性质,使其最有希望成为高效的储氢材料。
二 碳纳米管的制备
目前已有很多种制备碳纳米管的方法,其中电弧放电法和催化裂解法应用得最为广泛。1991年Iijima首先用真空电弧蒸发石墨电极,在阴极沉积物中发现了碳纳米管。该方法是:在一定气压的惰性气氛下,石墨电极之间在强电流下产生电弧,阴极逐渐损耗,部分气态碳离子沉积于阴极形成沉积物。电弧放电法的产物质量较好,管径均匀,管身较直,石墨化程度高,但因
其产量很低,仅局限在实验室中应用,不适于大批量连续生产。催化裂解法是在常压下的气流炉中进行的。催化剂为纳米Fe、Co、Ni或其合金粉,裂解气体可以为乙炔、苯、甲烷等,载气为氮气或氢气组成,在500e到1100e的温度范围内反应数小时后冷至室温。催化裂解法产量较高,但同前者相比,制备出的碳纳米管质量较差,管身虽长,但卷曲不直,管径不均匀,石墨化程度较低,缺陷也多一些。催化裂解法制备碳管还是得到人们的青睐,因为此法制的碳管易提纯,且可通过催化剂颗粒的大小控制碳管的大小,尽管其晶化程度不如通过石墨电弧法制得的好。其他制备方法还有激光蒸发法、聚合物法、太阳能法、电解法、固体低温裂解、原位催化法、溶盐法、微波等离子体加强CVD、固相合成等。
三 碳纳米管储氢性能的研究
Dillon等于1997年发现,采用钴与石墨共蒸发电弧法制备的烟炱中含有SWNTs,并使用程序升温脱附法(Temperature Programmed Desorption)检测了材料的储氢性能,样品重量为1 mg,试验结果表明SWNTs的储氢量为0.01%,同时用图像合成法(Graphical integration methods)测得试样中SWNTs含量为0.1%~0.2%,因此估算出SWNT的储氢量为5%~10%。Chen等采用CH4催化裂解制得CNT,将CNT与含Li或K的化合物,如碳酸盐或硝酸盐通过固相反应而制得Li掺杂的CNT或K掺杂的CNT。试验测得Li掺杂的CNT在653 K常压下储氢量为达20%, K掺杂的CNT在室温室压下储氢量可达14%。作者采用原位傅立叶变换红外光谱(FTIR)分析表明Li/K掺杂的CNT的吸氢实质是碳的分解氢化作用,分析表明Li/K可能是氢气分解吸附的催化活性中心,而且Li/K的存在可以大大降低H2的离解能,从而得到较高的储氢量。
Dresselhaus等报道,经特殊处理直径为1.58nm的单壁碳纳米管能在室温,中等高压(~10MPa)条件下贮藏4.2%的氢气,相当于每两个碳原子贮藏约1个氢原子,并可在常压室温下释放80%的氢气。陈桉等研究了平衡压力对多壁碳纳米管储氢性能的影响,结果表明在室温条件下,碳纳米管在9~10 MPa左右压力下,最大储氢量为3.1%,并认为当压力增大时,毛细管冷凝现象会进一步增大氢气在纳米管中的吸附量。刘芙等认为机械球磨是一种提高碳纳米管储氢能力的方法,通过球磨处理后,碳纳米管出现断裂,碳管端口被打开,缺陷增多,表面积增大,材料的储氢性能是未处理的材料的两倍。
由于国内外均有作者对碳纳米管储氢进行过综述报道,在此不想一一列举。表1对比了不同实验的结果,从中可以发现,除Chen等的研究结果以外,其余储氢量均小于10%,而且试验 温度范围为80~653 K,试验压力范围为0.04~10MPa,表明数据十分分散。实际上,大部分实验, 尤其是国内学者报道的实验结果都未详细报道CNTs的纯化和预处理过程,以及详细的储氢试验过程,更缺乏详细的理论分析和实验证明,由此造成分析试验数据的真伪具有相当大的难度。
表1 不同学者碳纳米管储氢性能试验结果对比
四 储氢试验方法与测试装置
在测量碳纳米管的储氢性能时,研究人员经常采用的方法有两种,一种是测量碳纳米管吸放氢后的压力变化来表征储氢性能,常用的方法是等容压差法,也有人称为高压容积法、定容法(恒容法),在此条件下,研究人员常采用排水集气法测量碳纳米管的脱氢性能。另一种方法是通过测定碳纳米管吸放氢时的重量变化来反映材料的储氢特性,常用的方法是热重分析法(Thermogravime-try analysis, Isothermal gravimetric analysis)。除上述两种主要方法外,研究人员还常采用TPD法(程序升温脱附法)来研究碳纳米管的吸氢-脱氢特性,其主要目的是研究氢气在碳纳米管上吸附和脱附过程中的变化,通常TPD法与色谱或质谱相结合,通过测试脱附产物分子的质量信息,来推断产物的化学组成。然而在色谱或质谱测试过程中,惰性气体长时间的吹扫会带走碳纳米管吸附的部分氢气,因而TPD法并不能用来准确测量碳纳米管的储氢容量。
等容压差法是测量传统储氢材料储氢性能常用的测量方法,如图：
其原理是通过测量系统的起始压力与吸附(脱附)达到平衡后系统的压力的差数,来计算材料的储氢量。由于该法是通过测量压力的变化来计算碳纳米管的储氢量,因此在试验中由外部因素,如温度、压力、体积的变化导致系统内压力的变化,均会对测试结果造成影响。
在测量碳纳米管的储氢性能时,由于通常采用的压力在10 MPa左右,因此首先必须考虑的一个问题是氢气在高压下是否遵循理想的气体方程。Browing等的研究表明,高压下氢气量与其压力、温度的对应关系并不遵循理想的气体方程,下图显示了不同温度下,氢气量与其压力之间的关系,从中可看出,在通常使用的压力(~10 MPa)和温度(298 K)条件下,氢气量仅为理
想气体的92%。大多数的研究人员在试验中都忽略了这个问题,考虑到试验中样品用量少,测试时间长等因素,这将不可避免地导致试验结果出现误差。
Chen等最先研究了碱金属掺杂对纳米碳管储氢容量的影响。他们用催化降解CH4制得碳纳米管。经纯化除去催化剂杂质后,样品超过90%以多壁碳纳米管形式存在, 70%的样品直径分布在25nm -35nm之间。通过和Li及K的碳酸盐或硝酸盐固体反应,在碳纳米管上掺杂Li和K。TPD法实验结果表明:常压0. 1MP下, Li掺杂的纳米碳管在653K时储氢量达到20 w%t ,相应的系统体积密度为160kgH2/m3;而在室温条件下K掺杂的纳米碳管储氢量达到14w%t ,相应的系统体积密度为112kgH2/m3。研究还发现, Li掺杂的纳米碳管虽然需要在高于室温条件下吸附氢气,但化学稳定性较好。
然而,Yang对这一乐观的数据产生了质疑,认为Chen实验中的氢气很可能受到了水蒸汽的污染。因而Yang在自己的实验中,采用和Chen相同的步骤制备了碱金属掺杂的纳米碳管,并分别采取含水蒸汽和足够干燥的氢气做对比。实验结果表明:干燥的氢气条件下, Li和K掺杂的纳米碳管储氢量只达到了2. 5w%t和1. 8w%t ;含水蒸汽的氢气条件下, Li和K掺杂的纳米碳管储氢量为12w%t和21w%t ,这也和Chen有些出入。Yang将原因归结为水蒸汽与纳米碳管上的Li和K发生了反应。
五 碳纳米管储氢理论研究
碳纳米管储氢理论模拟研究几乎与实验研究同时进行。理论研究方法主要包括两类:一种是采用矩阵蒙特卡罗模拟方法,将吸收过程看成是简单的物理吸附,假定没有发生化学反应过程,将氢分子和碳纳米管以及氢分子之间的相互作用采用经典的经验势描述;另一种是认为在吸附过程中发生了化学反应,采用量子力学第一原理计算。后一种也称为密度泛函理论,它和前一种方法的本质区别在于它从电子的移动以及相互作用出发考虑物质之间的相互作用,在吸附领域主要应用于化学吸附过程。专著[5]中还提到另一种理论研究手段:简单的几何学估算。无论什么样的理论研究方法,旨在揭示影响吸附的内部机理,为碳纳米管储氢的应用提供具体有效的理论指导。
Darkrim和Levesque在较大的压力和温度范围内计算了开口的碳纳米管储氢能力。他们通过分子模拟研究了16个并排的单壁碳纳米管组成的管束的两种排列结构(三角型和正方型)在77K、10MP条件下,当管间距增加到1. 1nm时,氢气吸附量可达到11w%t。Williams采用蒙特卡罗模拟方法在同样热动力条件(77K、10MP)下得到最大的吸氢量接近9. 6w%t。Lee等则采用密度泛函理论研究了碳纳米管储氢能力。估计(10, 10)单壁碳纳米管最大氢气吸附量达到14w%t。Wang等则在1 -10MP压力范围内计算了碳纳米管在77K和298K两个温度点的储氢值。遗憾地发现,在常温下碳纳米管储氢能力较低,1MP和10MP附近的碳纳米管储
氢值只达到0. 1w%t和0. 8w%t。
六 结论
碳纳米管储氢仍处于研究的水准上,还有许多方面如循环特性,储氢热力学和动力学行为,如何进一步提高其质量储氢容量和体积储氢容量、储放氢机理等,需要进行深入细致的研究。有理由相信,随着实验手段的不断改进和理论研究的不断深入,碳纳米管储氢基础研究的难点会一一突破。此外,为了尽早取得实际应用,大规模合成并纯化碳纳米管也是值得关注的。
参考文献：
[1] 凌涛，范守善. [J]. 真空科学与技术，2001，21(5)：372–375.
[2] Chen J，Wu F. [J]. Applied Physics A，2004，78：989–994.
[3] 孙海梅，闫红. [J]. 晋东南师范专科学报，2003，20(2)：25.
[4] 周和平,刘耀诚.[J].硅酸盐学报,1998;26(4):517.
[5] H.Buhr,G.M?ller.[J].J.Europ.Ceram.Soc.,1993;12:271.
[6] 高 燕,宋怀河,陈晓红. 超临界状态下炭基材料的储氢[J].化学通报, 2002, 3: 153.
[7] 周亚平,冯 奎,孙 艳,等. 述评碳纳米管储氢研究[J].化学进展, 2003, 15(5): 345.
[8] 杨全红,刘 畅,刘 敏,等. 高储氢容量单壁纳米碳管的孔隙结构[J].中国科学(E辑), 2003, 33(11): 973.
[9] 黄宛真,张孝彬,孔凡志,等. 钾掺杂多壁碳纳米管储氢性能研究[J].化学物理学报, 2002, 15(1): 51.
[10]朱宏伟,徐才录,陈桉,等.碳纳米管表面处理对储氢性能的影响.碳素技术, 2000, 4: 12
范文五：碳纳米管综述
碳纳米管综述
摘要:本文主要介绍碳纳米管的发现及发展过程, 并说明碳纳米管的制备方法及 其制备技术。同时也叙述碳纳米管的各种性能与应用。
引言:在 1991年日本 NEC 公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛在高 分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时,意外发 现了 由 管状的 同轴纳 米管组 成的碳 分子 , 这就是 现在被 称作的 “ Carbon nanotube ” ,即碳纳米管 , 又名巴基管。
正文:
碳纳米管的制备:
碳纳米管的合成技术主要有:电弧法、激光烧蚀 (蒸发 ) 法、催化裂解或催化 化学气相沉积法 (CCVD,以及在各种合成技术基础上产生的定向控制生长法等。 电弧法
利用石墨电极放电获得碳纳米管是各种合成技术中研究得最早的一种。 研究 者在优化电弧放电法制取碳纳米管方面做了大量的工作。
T. W. Ebbeseo[2]在 He 保护介质中石墨电弧放电,首次使碳纳米管的合成达 到了克量级。为减少相互缠绕的碳纳米管在阴极上的烧结, D.T.Collbert[3]将石 墨阴极与水冷铜阴极座连接,大大减少了碳纳米管缺陷。 C. Journet[4]等在阳极 中填人石墨粉末和铱的混合物,实现了 SWNTs 的大量制备。研究发现,铁组金 属、一些稀土金属和铂族元素或以单个金属或以二金属混合物均能催化 SWNTs 合成。
近年来,人们除通过调节电流、电压,改变气压及流速,改变电极组成,改 进电极进给方式等优化电弧放电工艺外,还通过改变打弧介质,简化电弧装置。 综上所述, 电弧法在制备碳纳米管的过程中通过改变电弧放电条件、 催化剂、 电极尺寸、 进料方式、 极间距离以及原料种类等手段而日渐成熟。 电弧法得到的 碳纳米管形直,壁簿 (多壁甚至单壁 ). 但产率偏低,电弧放电过程难以控制,制备 成本偏高其工业化规模生产还需探索。
催化裂解法或催化化学气相沉积法 (CCVD)
催化裂解法是目前应用较为广泛的一种制备碳纳米管的方法。 该方法主要采 用过渡金属作催化剂, 适于碳纳米管的大规模制备, 产物中的碳纳米管含量较高, 但碳纳米管的缺陷较多。
催化裂解法制备碳纳米管所需的设备和工艺都比较简单, 关键是催化剂的制 备和分散。 目前用催化裂解法制备碳纳米管的研究主要集中在以下两个方面:大 规模制备无序的、非定向的碳纳米管 ; 制备离散分布、定向排列的碳纳米管列阵。 一般选用 Fe, Co 、 Ni 及其合金作催化剂,粘土、二氧化硅、硅藻土、氧化铝及 氧化镁等作载体,乙炔、丙烯及甲烷等作碳源,氢气、氮气、氦气、氩气或氨气 作稀释气,在 530℃ ~1130℃范围内,碳氢化合物裂解产生的自由碳离子在催化 剂作用下可生成单壁或多壁碳纳米管。 1993年 Yacaman 等人 [5]采用此方法,用 Fe 催化裂解乙炔, 在 770℃下合成了多壁碳纳米管, 后来分别采用乙烯、 聚乙烯、 丙烯和甲烷等作为碳源, 也都取得了成功。 为使碳离子均匀分布, 科研人员还用 等离子加强或微波催化裂解气相沉积法制备碳纳米管。
激光蒸发法
激光蒸发法是制备单壁碳纳米管的一种有效方法。用高能 CO2激光或 Nd/YAG激光蒸发掺有 Fe 、 Co 、 Ni 或其合金的碳靶制备单壁碳纳米管和单壁碳 纳米管束, 管径可由激光脉冲来控制。 Iijima[6]等人发现激光脉冲间隔时间越短, 得到的单壁碳纳米管产率越高, 而单壁碳纳米管的结构并不受脉冲间隔时间的影 响。用 CO2激光蒸发法,在室温下可获得单壁碳纳米管,若采用快速成像技术 和发射光谱可观察到氩气中蒸发烟流和含碳碎片的形貌, 这一诊断技术使跟踪研 究单壁碳纳米管的生长过程成为可能。激光蒸发 (烧蚀 ) 法的主要缺点是单壁碳纳 米管的纯度较低、易缠结。
定向生长法
定向生长首先是特定制作基底模板之上的生长, 模板的制作是决定生成的产 物是否定向的关键。模板可通过掩膜技术、电镀技术、化学刻蚀、表面包覆、溶 胶—凝胶、 微印刷术等技术, 使金属或含金属的催化剂沉积于一定的基底上制得。 利用催化热解或各种 CCVD 技术等可实现碳纳米管在模板上的有序生长。已报 道的制备方法中,以孔型硅或孔型 Al2O3为模板,通过 CCVD 合成定向碳纳米 管的方法居多。
定向生长法制出的碳纳米管准直、 均匀性好、 石墨化程度高、 碳纳米管相互 平行排列不缠绕缺陷相对少, 但制作模板和催化剂需冗长且繁杂的工艺过程, 其 操作和设备要求比较苛刻, 因此规模受限。 最近文献报道显示, 一定条件下通过 浮游催化亦可实现碳纳米管定向生长。这无疑是定向生长值得探究的方向。 上述各种合成方法各有特点,电弧法得到的碳纳米管形直壁薄,长度较短, 但电弧反应难于控制, 不利于工业化规模生产。 激光烧蚀法得到的碳纳米管杂质 较少,易于提纯,但需要复杂昂贵的设备,能耗大、产量小,限制了它的广泛应 用。 CCVD 设备简单,可控工艺参数少,相对能耗小,可大规模生产,但制出的 碳纳米管相互缠绕缺陷较多。 模板定向生长制出的碳纳米管质量相对上乘, 但制 作工艺复杂。 产量极其有限, 难于满足需求。 因此碳纳米管合成所面临的急待解 决的问题仍不容忽视。
性能:
力学性能
由于碳纳米管中碳原子采取 SP2杂化,相比 SP3杂化, SP2杂化中 S 轨道成分比较大,使碳纳米管具有高模量、高强度。
碳纳米管具有良好的力学性能, CNTs 抗拉强度达到 50~200GPa ,是 钢的 100倍,密度却只有钢的 1/6,至少比常规石墨纤维高一个数量级;它 的弹性模量可达 1TPa ,与金刚石的弹性模量相当,约为钢的 5倍。对于具 有理想结构的单层壁的碳纳米管,其抗拉强度约 800GPa 。碳纳米管的结构 虽然与高分子材料的结构相似,但其结构却比高分子材料稳定得多。碳纳 米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。若将以其他工程材料为基 体与碳纳米管制成复合材料, 可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗 疲劳性及各向同性,给复合材料的性能带来极大的改善。
碳纳米管的硬度与金刚石相当,却拥有良好的柔韧性,可以拉伸。目 前在工业上常用的增强型纤维中,决定强度的一个关键因素是长径比,即 长度和直径之比。目前材料工程师希望得到的长径比至少是 20:1,而碳纳 米管的长径比一般在 1000:1以上,是理想的高强度纤维材料。 2000年 10月,美国宾州州立大学的研究人员称,碳纳米管的强度比同体积钢的强度
高 100倍,重量却只有后者的 1/6到 1/7。碳纳米管因而被称“超级纤维” 。 此外,碳纳米管的熔点是目前已知材料中最高的。
导电性能
碳纳米管上碳原子的 P 电子形成大范围的离域 π键,由于共轭效应显 著,碳纳米管具有一些特殊的电学性质。
碳纳米管具有良好的导电性能,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。当 CNTs 的管径大于 6nm 时,导电性能下降;当管径小于 6nm 时, CNTs 可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。有报道说 Huang 通过计算认为直径为 0.7nm 的碳纳米管具有超导性, 尽管其超导转变 温度只有 1.5×10-4K ,但是预示着碳纳米管在超导领域的应用前景。
常用矢量 Ch 表示碳纳米管上原子排列的方向,其中 Ch=na1+ma2,记 为 (n, m) 。 a1和 a2分别表示两个基矢。 (n, m) 与碳纳米管的导电性能密切 相关。对于一个给定 (n, m) 的纳米管,如果有 2n+m=3q(q 为整数) ,则这 个方向上表现出金属性,是良好的导体,否则表现为半导体。对于 n=m的 方向,碳纳米管表现出良好的导电性,电导率通常可达铜的 1万倍。
传热性能
碳纳米管具有良好的传热性能, CNTs 具有非常大的长径比,因而其沿 着长度方向的热交换性能很高,相对的其垂直方向的热交换性能较低,通 过合适的取向,碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。另外,碳纳 米管有着较高的热导率, 只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管 , 该复合材 料的热导率将会可能得到很大的改善。
其他性能
碳纳米管还具有光学和储氢等其他良好的性能,正是这些优良的性质 使得碳纳米管被认为是理想的聚合物复合材料的增强材料。
碳纳米管的应用:
碳纳米管在储氢材料方面的应用
氢是宇宙中分布最广泛的元素, 燃烧能量密度值很高, 燃烧零污染, 是一种 清洁的绿色新能源。 随着科学技术的不断进步, 氢能将代替化石能源走进千家万 户, 承担起主体能源的角色。 但利用氢能源, 必须解决氢的安全储存和运输问题。 碳纳米管由于具有独特的纳米级尺寸、 中空结构和大的比表面积等特点, 使其成 为最有潜力的储氢材料 [5]。 Lee 等研究了碳纳米管的储氢性能, 观察了碳纳米管 的几处吸附位,并计算了碳纳米管吸附位的位置和最大储氢量 [6]。常温常压下, 约 2/3的氢能从碳纳米管中释放出来,而且可被反复使用。在燃料电池系统中, 碳纳米管可以用于制造质子交换膜 (PEM)燃料电池,采用碳纳米管储氢,取代现 用的高压氢气罐, 电动汽车通过消耗氢产生电力, 排除的废气为水蒸气, 因此没 有污染。燃料电池在移动电源、家庭电源、分散电站、水下机器人、航天器、空 间站、潜艇等领域有广泛的应用。如果用碳纳米管储氢材料做成可携式的能源, 氢气是取之不尽用之不竭的可再生能源, 外出旅游就可以直接用它来做野炊的燃 料。 虽然碳纳米管储氢研究在实验和理论方面取得了可喜的成果, 但由于碳纳米 管成本高,不能批量生产,对其真正的用于实践生产还有相当距离。
碳纳米管在复合材料方面的应用 [7]
碳纳米管具有类似高分子的结构, 且有很高的轴向强度和刚度。 与高分子材
料复合时, 得到性能优异的复合材料, 使碳纳米管表现出优良的电学性能和力学 性能,这使得碳纳米管在复合材料领域具有诱人的应用前景。喻光辉等 [8]在超 声条件下,用原位聚合的方法制备了碳纳米管 /聚氨酯纳米复合材料,在碳纳米 管质量分数为 0.5%时,复合材料的导电性能得到明显的提高,可用作抗电材料。 将碳纳米管加入塑料中, 可获得强度更高并且具有导电性能的塑料, 常用于静电 喷涂材料。 目前高档汽车的塑料零件采用了这种材料, 制造出形状更复杂, 强度 更高、 表面更美观的塑料零部件。 碳纳米管特殊的结构和介电性质, 还可以表现 出较强的宽带微波吸收性能 , 吸收频率宽化。清华大学的宋泳 [9]制备出碳纳米管 复合涂层吸波材料。石乃恩等 [10]对碳管进行羟基化,再利用化学镀使 Pd , Co , Fe , Pt 金属纳米粒子成功地吸附在碳管表面, 得到较好的吸波性能。在飞机、导 弹、 火炮、 坦克等军事装备领域中碳纳米管的微波吸收性能起着巨大的应用价值。 碳纳米管在超级电容器电极材料方面的应用
碳纳米管具有非常高的比表面积, 结晶度高, 加之优异的导电性能和良好的 机械性能, 碳纳米管是制造超级电容器电极的理想材料。 马仁志等通过不同工艺 手段制备了碳纳米管电极。梁逵等研究了硝酸改性处理的碳纳米管来制作电极, 所得超级电容器的质量比电容达到 69F/g,而且这种电容器具有良好的频率响应 特性。 超级电容器是目前已知的最大容量的电容器, 开发并利用碳纳米管做超级 电容器的电极材料存在着巨大的商业价值。
其它应用
碳纳米管作为一种新型的超级纤维材料, 可以用作扫描隧道显微镜和原子力 显微镜的针尖。 最新的研究表明, 碳纳米管已经被研究人员制成纳米管显微容器、 纳米齿轮、微型天线等,美国《发现》月刊报道利用碳纳米管制作的“太空梯” 将升向太空。 碳纳米管独特的管状结构还可制作纳米装置、 超大规模集成电路散 热衬托材料、计算机芯片导热板、一维导线、纳米同轴电缆、分子晶体管、电子 开关、美容材料、防弹背心、抗震建筑等。
结论:碳纳米管作为纳米科学研究领域里面最重要的材料之一, 正在掀起一场全 球范围内的革命。 随着研究工作的不断进行, 在不远的将来, 碳纳米管技术将会 大规模应用到工业领域中, 在我们的工作、 生活中扮演举足轻重的角色。 我们将 再一次地感受到:科学与技术正以日新月异的速度发展着,远没有终结的时候。
参考文献:
[1] Ebbesen T W.Ajayan P M. Large-scale synthesis of carbon nanotube [J]. Nature , 1992,359:220 [3] Colbert D T, Zhang J, McClure S M, et al . Growth and sintering of fullere nanotubes[J].Science, 1994, 266:1218
[2] Journet C . Maser W K , Bernier P,et al . Large scale produced of single walled carbon nanotubes by the electric are technique [J].Nature,1997,388:756
[3]朱绍文,贾志杰,李钟泽,等 . 碳纳米管及其应用前景 [J]科技导报, 1999, 12:7— 9 [4] Shoushan Fan , et a1. Self — oriented regular arrays of carbon nanotubes and their field emission properties[J]. Science , 1999, 283:512
[5]聂海瑜。碳纳米管的应用研究进展 [J]。学工业与工程技术, 2004, 25(5):34-38。 [6]闫晓琦,郭雪芹,王达,等。碳纳米管的储氢机理研究 [J]。实验室科学, 2007(5):96。 [7]朱长纯,袁寿财,李玉魁。碳纳米管及其应用 [J].微纳电子技术, 2002(8):1-6。
[8]喻光辉, 曾繁涤。 聚氨酯 /碳纳米管复合材料力学及电学性能研究 [J].工程塑料应用, 2005, 33(6):11-14。
[9]宋泳 . 一种含碳纳米管复合涂层型吸波材料及其制备方法 [J].橡胶工业, 2008, 55(1):40。 [10]石乃恩,冯晓苗,高志强。碳纳米管金属汾河材料的合成及其吸波性能 [J].南京邮电大 学学报:自然科学版, 2008, 28(1):87-8。
