关于碳纳米管的研究进展综述

关于碳纳米管的研究进展

1、前言

1985年9月，Curl、Smally和Kroto发现了一个由个60个碳原子组成的完美对称的足球状分子，称作为富勒烯。这个新分子是碳家族除石墨和金刚石外的新成员,它的发现刷新了人们对这一最熟悉元素的认识,并宣告一种新的化学和全新

的“大碳结构”概念诞生了。之后,人们相继发现并分离出C

70、C

76

、C

78

、C

84

等。

1991年日本的Iijima教授用真空电弧蒸发石墨电极时,首次在高分辨透射电子显微镜下发现了具有纳米尺寸的碳的多层管状物—碳纳米管。年,日本公司的科学家和匆通过改进电弧放电方法,成功的制备了克量级的碳纳米管。1993年，通过在电弧放电中加入过渡金属催化剂,NEC和IBM研究小组同时成功地合成了单壁碳纳米管；同年，Yacaman等以乙炔为碳源，用铁作催化剂首次针对性的由化学气相沉积法成功地合成了多壁碳纳米管。1996年,我国科学家实现了碳纳米管的大面积定向生长。1998年,科研人员利用碳纳米管作电子管阴极同年,科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管;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得到了较高产率的单壁碳纳米管和由多根单壁碳纳米管形成的阵列以及由该阵列形成的数厘米长的条带。1999年,韩国的一个研究小组制成了碳纳米管阴极彩色显示器样管。2000年,日本科学家制成了高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。2001年,Schlitter等用热解有纳米图形的前驱体,通过自组装合成了单壁碳纳米管单晶,表明已经可以在微米级制得整体材料的单壁碳纳米管,并为宏量制备指出了方向。

2、碳纳米管的制备方法

获得大批量、管径均匀和高纯度的碳纳米管,是研究其性能及应用的基础。而大批量、低成本的合成工艺是碳纳米管实现工业化应用的保证。因此对碳纳米管制备工艺的研究具有重要的意义。目前,常用的制备碳纳米管的方法包括石墨电弧法、化学气相沉积法和激光蒸发法。一般来说,石墨电弧法和激光蒸发法制备的碳纳米管纯度和晶化程度都较高,但产量较低。化学气相沉积法是实现工业化大批量生产碳纳米管的有效方法,但由于生长温度较低,碳纳米管中通常含有

较多的结构缺陷,并伴有较多的杂质。对于单壁碳纳米管,由于其半径较小、石墨层片卷曲的曲率大,其生长条件比多壁碳纳米管更苛刻一些,例如要求催化剂粒径更小、反应温度更高。

1）电弧放电法

电弧法是最早的、最典型的碳纳米管合成方法,它又可分直流电弧法、交流电弧法、电弧催化法等。在真空反应器中充以一定压力的惰性气体氦气（He）,采用面积较大的石墨电极为阴极,细石墨棒为阳极,电弧反应中阳极石墨电极不断消耗,蒸发出的碳烟灰在阴极上沉积出含碳纳米管的产物。Iijima就是采用该方法首次制备出单壁碳纳米管。

2）激光蒸发法

激光蒸发法是一种简单有效的制备碳纳米管的新方法。其基本原理为用高能量密度激光照射置于真空腔体中的靶体表面,将碳原子或原子团簇激发出靶的表面,在载体气体中这些原子或原子团簇相互碰撞而形成碳纳米管。靶体为渗入一定金属催化剂（Ni、Co等）的碳粉压制而成,载体气体一般为氩气。氮气作为非惰性气体会与碳进行键合,而往往被认为会阻止碳纳米管的形成。然而激光蒸发的碳原子与氮气分子的反应只在低压条件下得到验证,在制备单壁碳纳米管时,腔中气压一般为几万帕。研究表明在氮气气氛中依然能得到单壁碳纳米管含量超过50%的产物,并且其碳纳米管结构和形貌与在氢气气氛中得到的类似。这些碳纳米管形成束状结构,产物中也含有金属粒子与无定形碳等其它形式的碳结构。

3）化学气相沉积法

化学气相沉积法因制备条件简单、可大规模生产等优点得到人们的普遍使用。

它主要以C

2H

2

作为碳源,以金属催化剂作晶种,在相对低的温度（500-1000℃）下

C 2H

2

裂解而得到碳纳米管。经对Fe、Co、Ni、Cu进行研究,结果发现用Co作催

化剂时得到了最细、石墨化最好的碳纳米管。这种碳氢化合物气体催化分解的方法,可以严格控制温度,并且由于可以稳定连续地供气,所以随反应时间的延长,碳纳米管的长度可延长。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。目前这种方法的主要研究方向是希望通过控制模板上催化剂的排列方式来控制生成的碳纳米管的结构,已经取得了一定进展。如中科院物理所的科学家已利用改进的化学气相法制备出长度达到的2-3mm的碳纳米管。

4）固相热解法

固相热解法是将常规含碳亚稳固体在高温下热解生长碳纳米管的新方法,这种方法过程比较稳定,不需要催化剂,并且是原位生长。但受到原料的限制,生产不能规模化和连续化

5）火焰合成法

火焰法合成碳纳米管成本低,效率高,能连续合成高质量的单壁碳纳米管、多壁碳纳米管及碳纳米纤维。它主要是将气体燃料与气体氧化剂分别送入燃烧室燃烧或混合后送入燃烧室燃烧,直接利用火焰做热源,将催化材料置入火焰中即可制得碳纳米管。火焰法合成碳纳米管己经取得了一些重要进展,但还有大量工作需要进一步深入研究,例如在火焰发生装置的设计、燃气和催化剂的优化选择、火焰的稳定性、规模化生产等方面仍需要进一步改进。

3、碳纳米管的可控合成

纳米碳管的研究发展到目前阶段,其产业化大规模应用仿佛就在不远的将来,但是在大规模应用之前,纳米碳管的研究者们必须回答如下问题纳米碳管的生长机理是什么如何才能控制纳米碳管的生长位置、方向、直径、长度、螺旋度生长机理跟可控制备研究是密不可分的,只有充分解决纳米碳管的生长机理问题,才能预知影响因素的作用原理,达到控制生长的目的。生长机理研究比较多的是电弧放电法生长纳米碳管的机理和法生长纳米碳管的机理。

普通法（CVD）可控制备纳米碳管的可行性：普通法即热法,根据催化剂加入或者安置方式的不同,通常可以分为两种方法：1）基体承载法2）流动催化法。基体承载法是将催化剂放在特定基上进行碳源气体的高温分解,在催化剂颗粒生长出纳米碳管,该法可以合成纯度较高的纳米碳管,但是较难实现连续性操作。流动催化法的优点是气-固接触较好,可以充分地利用催化剂颗粒的表面。催化剂颗粒处于运动状态,相互之间的距离比基体承载法大,其外表面更容易生长出纳米碳

管。该法可以通过催化剂和含碳气体的连续加入,以及产物的及时收集,较易实现连续化合成。另外,在合成定向纳米碳管阵列时,水平流动催化法和基体承载法相比,不需要对纳米碳管阵列的基底进行特殊处理,是一种相对简便的制备工艺。热法中,产物受到催化剂和反应条件等诸多因素的影响。

普通法CVD法纳米碳管生长的影响因素：普通热法生长纳米碳管的影响因素很多,但归纳起来不外乎三个方面催化剂、反应温度、反应气氛。这三个方面互相协调作用,不能孤立的来看。但在一个固定的体系里面也有主次之分。这些因素一般可以从CVD法生长纳米碳管的生长模型来解释。

（1）催化剂的活性组分过渡元素金属铁、钻、镍是常见的用于纳米碳管生长的三种催化剂元素,但是三者的催化性能是有一定差异的。Klinke等利用硅负载的铁、钴、镍催化剂裂解乙炔气体制备纳米碳管阵列,发现铁为催化剂时得到的碳管密度最大。Nagy等的结果显示铁的催化性能要比钴高,但是铁催化生长的纳米碳管结晶度和结构完整性要比钴的差。当利用二元或多元金属作为催化剂时,催化剂的催化性能有时会发生较大的变化。根据Rao等的报道,在利用铁催化剂制备常规纳米碳管阵列时如果在催化剂中掺入金属钛,将会得到大量的长分叉纳米碳管。Lee等发现如果将金属Pd掺入Co-Ni (Co/Ni=1：1.5)双金属催化剂中能够在较低的反应温度500℃下合成纳米碳管,将金属Cr 掺入Co-Ni (Co/Ni=1：1.5)双金属催化剂中能够在550℃的反应温度合成纳米碳纤维。

（2）反应温度对产率的影响主要归因于其对催化剂活性及碳源气体裂解速度的影响,温度越高,催化剂活性越强,但是温度过高,催化剂会烧结,且碳源气体会发生自分解生成其它副产物。在高温下催化剂活性组分微晶易团聚长大,所以不同温度下催化剂活性组分的直径是有所差别的,因此反应温度最终也会影响到纳米碳管的直径。因此反应温度受到催化剂活性组分和碳源气体的制约。一般情况下,对于热法,催化剂活性越高,需要的反应温度越低单壁纳米碳管的反应温度高于多壁纳米碳管的反应温度。

（3）反应过程的气氛包括碳源气体、载气和掺杂气体。碳源气体直接提供碳源,其分解速率、温度、气压直接关系到纳米碳管的生长。Hernadi等系统研究了各种碳源对纳米碳管产量及形貌的影响,反应温度为700-800℃,他们发现利用乙炔气体合成的纳米碳管产量最大;碳源气体的活性有较大的差异,其中乙炔＞丙

酮＞乙烯＞正戊烷＞丙烯＞甲醇＞甲烷。载气一般起到对碳源气体的分散和载流作用,但研究表明载气对纳米碳管的生长也有一定的作用。Sharon等利用三种不同的载气即氢气、氩气、氢气及氩气的混合气来合成纳米碳管,发现载气会直接影响到纳米碳管的生长。掺杂气体一般是为了得到结构比较特殊的纳米碳管而人为加入的气体成分。它的作用各式各样,或者为了得到高纯度纳米碳管,或者为了达到对纳米碳管的掺杂。2004年Iijima等发现微量水汽的掺入能够促进单壁纳米碳管的生长,他们认为水可以氧化去除催化剂表面能够导致其中毒的无定形碳,有利于保持催化剂的催化活性,利用此技术他们成功合成了纯度大于99%的单壁纳米碳管。Dai等研究了热法中氧气气氛对单壁纳米碳管生长的影响,发现掺入1%的氧气可以显著提高催化剂的催化活性;在热CVD法中碳源的分解会产生大量高活性氢物种而不利于纳米碳管的生长,加入氧气可以清除这些氢物种并能够控制C/H比例,利用此技术他们合成了高产量、高纯度的垂直单壁纳米碳管阵列。

4、碳纳米管表征分析技术

主要分为以下几类：（1）对纳米材料进行晶体结构分析的表征手段，主要有：X射线衍射（XRD）、电子衍射分析谱（EDAS）和高分辨透射电子显微镜（HRTEM）等；（2）表征纳米材料的尺寸和形貌的仪器主要有：扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）等；表征纳米材料的光学和电学等性质，主要有紫外可见（UV-Vis）吸收光谱和表面增强拉曼光谱（SERS）等。比如，X射线分析技术：X射线衍射可以用于物相鉴定以及材料的结构分析。但是X射线衍射技术主要用于测定长程有序的材料结构，对于无序的结构，它的运动则受到限制；电子显微分析技术：电子显微镜中的透射电子显微镜（TEM）可以观察材料的形貌，通过测量其尺寸，可以给出材料的尺寸分布。对样品的制备要求较高。而高分辨透射电镜（HRTEM）的分辨率高，可以对微区进行更精确的分析，尤其是对界面结构提供准确的判断，可以观察到样品的晶格。与TEM 相比，SEM可直观地观察样品表面的形貌，图像的立体感强。特别适合观察纳米多面体以及一些复杂结构；紫外可见光吸收谱：紫外可见吸收光谱不仅可以用来表征纳米粒子的光学性质，而且纳米粒子的尺寸和形状也可以通过它体现出来。根据紫外可见光谱还可以了解材料的能带结构，通过吸收峰的位置变动可以判断能级的变动；红外光谱与拉曼光谱可以互补用来研究纳米材料的结构。

5、纳米碳管的应用

碳纳米管独特的结构及与之相关的力学、电子特性及化学性能,必然决定了它在物理、化学、信息技术、环境科学、材料科学、能源技术、生命及医药科学等领域均具有广阔的应用前景。Smalley曾说过“如果要把所有的不同应用前景都写出来的话,富勒烯要用一页纸,而碳纳米管则要用一本书,两者之间有数量级的差别。从纳米碳管的应用尺度范围可以大致分为两大类纳米技术应用和宏观材料应用。纳米技术应用主要有扫描探针显微镜的探针,纳米泵,纳米管道,纳米钳,纳米齿轮,纳米晶体管,纳米导线,分子开关,纳米反应器,化学传感器等宏观材料应用主要有树脂、金属和陶瓷增强,导电复合材料,吸波材料,电磁屏蔽材料,储氢,双电层电容器,铿离子电池,场发射电子源,平板显示器,高压荧光灯,催化剂及载体等。

1）催化领域

碳纳米管这种特殊的一维纳米碳材料的出现,立即引起催化界的极大兴趣。直接用碳纳米管作催化剂的例子并不多。Luo曾报道了直接用碳纳米管做催化剂分解,在有的转化率。但到目前为止,因其特有的电子、孔腔结构和吸附性等,碳纳米管在催化方面主要是当载体来使用。碳纳米管负载的催化剂可分为两类，（1）单层碳纳米管负载的金属催化剂（2）多层碳纳米管负载的金属催化剂。

2）储氢功能

氢是一种清洁的可再生的能源,可用于不同的能量转换器,氢燃烧生成水,水再经光解产生氢,以取之不尽的水为原料,以太阳能为初级能源,从而构成一个用于氢的生产、储运和应用研究开发与展示,其中一半以上用于开发氢能储存技术。目前氢气的储存方法大致有五种①气态储存②液氢储存③金属氢化物储存④有机物储存⑤吸附储存。高压气态储氢,氢气密度低,危险性大。因此碳纳米管很有前途的储氢材料。

3）材料领域

碳纳米管具有极高的强度和极大的韧性,其强度为钢的倍,而密度只有钢的,是一种理想的柔软、轻巧而且非常结实的防弹背心材料,碳纳米管还可以用于催

化剂载体、微导线、微光纤材料、纳米器件、新型激光材料以及应用于其它领域碳纳米管属于纳米纤维,都具备一般纳米材料的特性,可能作为结构增强材料、纳米器件、场发射材料、催化剂载体、超导材料、电磁屏蔽材料、吸光材料、储氢材料等,而在电子、机械、能源、信息、医药、化学、生物等领域得到广泛应用。由碳纳米管悬臂梁振动测量结果可估计出他们的杨氏模量高达左右,延伸率达百分之几,并且具有良好的可弯曲性单壁碳纳米管可承受扭转形变并可弯曲成小圆环,应力卸除后可恢复到原来状态,压力不会导致碳纳米管的破裂这些优良的性能使其如果与其它工程材料复合可大大改变其性能。

4）电子领域

在电子电器领域中,利用碳纳米管端部曲率半径小的特点,在代替铝针作场发射电极时,具有较低的激光电压和自修补功能,可大大提高视频系统的效率,扩展其功能利用碳纳米管很好的导电性,可研制出高能微型电池,与普通电池相比,具有体积小,能量高,使用寿命长的特点用在计算机后备电源和汽车电子点火电源上有极大的优势碳纳米管优良的吸氢能力,可以研制高效燃料电池通过控制生产工艺,使碳纳米管中的五边形碳环或七边形碳环集中于管身中部,可改变碳纳米管的导电特性,使其具有半导体特性,可用于制作碳纳米管电子开关和碳纳米管二极管据报道,美国科学家利用碳纳米管研制碳纳米管计算机,己经制成碳纳米管晶体管,体积是普通晶体管的十分之一,可以将集成电路尺寸降低两个数量级以上。

5)传感器

用碳纳米管去修饰电极,可以提高对等的选择性,从而制成电化学传感器。利用碳纳米管对气体吸附的选择性和碳纳米管的导电性,可以做成气体传感器。不同温度下吸附氧气可以改变碳纳米管的导电性。在碳纳米管内填充光敏、湿敏、压敏等材料,可以制成纳米级的各种功能传感器。

6）在生物医药方面的应用

碳纳米管具有一维纳米中空结构、大的长径比（通常长度为几百纳米-几微米,直径单壁碳纳米管为0.4-2nm,多壁碳纳米管为1-100nm）巨大的比表面积、

超高的机械强度、较低的密度、出众的化学和热稳定性和富电子等特性。同时碳纳米管具有独特的大离域p键,可以与许多生物医药分子之间形成较强的p-p键相互作用。使其在生物医药领域具有巨大的应用潜力。因此,自其发现以来,碳纳米管在生物医药方面的应用就一直是研究的热点。碳纳米管在水中的不可分散性是制约其生物医药应用的主要障碍。可以通过表面活性剂小分子、两亲性聚合物的非共价键改性或共价键接枝亲水性分子、聚合物来制备水溶性碳纳米管

6、结语

碳材料以其多样性和重要性一直是研究应用的重点，尤其以碳纳米石墨稀的相继被发现，把对碳纳米材料的研究带向了百花齐放的当前，它们综合性能优异，应用领域广泛。目前的制备单壁纳米碳管、双壁纳米碳管和三壁纳米碳管的纯度和产率不是很高,制备结构可控的纳米级催化剂来更加有效的控制纳米碳管的制备,研究催化剂颗粒组分结构对纳米碳管管层及纳米碳管直径的作用关系。扩大催化剂活性组分的研究领域,建立更加广泛的金属催化剂热法可控制备纳米碳管的理论。尽管从纳米碳管的发现到现在已经过去了十几年,但我们仍然处在纳米碳管科学发展的初期。今后在理论研究及应用开发人员的共同努力下,必将有更多令人惊奇的发现,获得更多、更为实用的成果。

7、参考文献

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关于碳纳米管的研究进展综述

关于碳纳米管的研究进展 1、前言 1985年9月，Curl、Smally和Kroto发现了一个由个60个碳原子组成的完美对称的足球状分子，称作为富勒烯。这个新分子是碳家族除石墨和金刚石外的新成员,它的发现刷新了人们对这一最熟悉元素的认识,并宣告一种新的化学和全新 的“大碳结构”概念诞生了。之后,人们相继发现并分离出C 70、C 76 、C 78 、C 84 等。 1991年日本的Iijima教授用真空电弧蒸发石墨电极时,首次在高分辨透射电子显微镜下发现了具有纳米尺寸的碳的多层管状物—碳纳米管。年,日本公司的科学家和匆通过改进电弧放电方法,成功的制备了克量级的碳纳米管。1993年，通过在电弧放电中加入过渡金属催化剂,NEC和IBM研究小组同时成功地合成了单壁碳纳米管；同年，Yacaman等以乙炔为碳源，用铁作催化剂首次针对性的由化学气相沉积法成功地合成了多壁碳纳米管。1996年,我国科学家实现了碳纳米管的大面积定向生长。1998年,科研人员利用碳纳米管作电子管阴极同年,科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管;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得到了较高产率的单壁碳纳米管和由多根单壁碳纳米管形成的阵列以及由该阵列形成的数厘米长的条带。1999年,韩国的一个研究小组制成了碳纳米管阴极彩色显示器样管。2000年,日本科学家制成了高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。2001年,Schlitter等用热解有纳米图形的前驱体,通过自组装合成了单壁碳纳米管单晶,表明已经可以在微米级制得整体材料的单壁碳纳米管,并为宏量制备指出了方向。 2、碳纳米管的制备方法 获得大批量、管径均匀和高纯度的碳纳米管,是研究其性能及应用的基础。而大批量、低成本的合成工艺是碳纳米管实现工业化应用的保证。因此对碳纳米管制备工艺的研究具有重要的意义。目前,常用的制备碳纳米管的方法包括石墨电弧法、化学气相沉积法和激光蒸发法。一般来说,石墨电弧法和激光蒸发法制备的碳纳米管纯度和晶化程度都较高,但产量较低。化学气相沉积法是实现工业化大批量生产碳纳米管的有效方法,但由于生长温度较低,碳纳米管中通常含有

材料导论碳纳米管综述

姓名：欧阳一鸣学号：2013012532 班级：高材 1313

潜在的碳纳米管场效应晶体管的模拟电路 介绍 在集成电路晶体管的指数增长摩尔定律所描述的内容持续了近一个半世纪 里。然而,2010年的国际半导体技术发展路线图预测增长将减缓到2013年底。 这主要是因为互补金属氧化物半导体（CMOS的比例正迅速接近其物理限制带来了许多障碍，如更高的亚阈值传导，栅氧化层和结泄漏增加，低输出电阻和跨导，增加热量生产。这使得半导体行业探索不同的材料和设备更加超越摩尔定律（如通过创造ITRS）。在这些材料和器件研究，碳纳米管场效应晶体管（CNFET） 已经获得了，因为它们规模小，流动性高，近弹道输运，大电流密度和较低的固有电容。自推出CNFETs该研究已主要重点对他们的数字电路使用。甚至中等规模薄流明碳纳米管（CNT的集成电路已报告了灵活塑料基板。然而，开/关比（也称为噪声余量）通常很小对于目前制造CNFETs因为存在金属碳纳米管［， 因此需要更多的调查，他们用于数字电路。与此相反，CNFETs具有更多潜在用 于高性能模拟电路，其中所述晶体管不需要充分关闭。此外，特性perform-ANCE 度量类似物或RF晶体管是更适合材料和碳纳米管的设备性能和制造tol-era nces ，也可以更轻松得的。 CNFETS础知识 场效应管的结构和MOSFE样的CNFETs 在传统的MOSFET源区和漏区是由两个重掺杂区中的硅衬底形成，并且栅极由多晶硅材料，其是绝缘的形成从基板由薄的二氧化硅层。如果电压被施加到 栅极端，下方的连续信道栅极形成用于电流流动的源极和漏极之间。 另一方面为CNFETs栅极，源极和漏极接触由像铬或钨金属与 4.5电子伏特的功函数。H是金属接触的高度，L是长度。值得一提的是，出两种类型CNFETs 即肖特基势垒和MOSFE等的，选择后者，因为它具有较高的离子/IOFF比率，过渡频率f 低的，更低的寄生电容，更好的AC性能和更高的制造可行性。在MOSTFE样的CNFE■之间的电流源和漏接触使用碳纳米管。根据贝壳的数量形成管状结构这些碳纳米管可以作为折叠见石墨烯成管状结构，可以单壁和多壁。单壁碳

2018年石墨烯导电剂和碳纳米管导电剂行业分析报告

2018年石墨烯导电剂和碳纳米管导电剂行业分析报告 2018年10月

目录 一、行业监管体制、法律法规及产业政策 (4) 1、行业主管部门和监管体系 (4) 2、行业主要法律法规及政策 (5) 二、行业发展情况 (6) 1、石墨烯 (6) （1）石墨烯创新成果显著 (6) （2）石墨烯下游应用领域广泛 (8) （3）石墨烯在锂电池领域前景良好 (8) （4）国家关于石墨烯行业的规划 (9) 2、碳纳米管 (11) （1）动力电池市场快速发展带动碳纳米管导电剂需求上升 (11) （2）高能力密度发展趋势加速对常规导电剂的替代 (12) 三、行业主要企业情况 (12) 1、常州第六元素材料科技股份有限公司 (12) 2、鸿纳（东莞）新材料科技有限公司 (13) 3、厦门凯纳石墨烯技术股份有限公司 (13) 四、影响行业发展的因素 (13) 1、有利因素 (13) （1）国家产业政策支持 (13) （2）产业联盟推动行业整体发展 (14) （3）技术进步 (15) （4）原材料供应稳定 (15) 2、不利因素 (15)

（1）产业化应用尚不成熟 (15) （2）石墨烯行业标准尚需进一步规范 (16) 五、行业进入壁垒 (16) 1、技术和经验壁垒 (16) 2、客户及市场开发壁垒 (16) 3、资金壁垒 (17) 六、行业技术特点及技术水平 (17) 1、行业经营模式 (17) 2、行业周期性 (18) 3、行业区域性 (18) 4、行业季节性 (18) 七、行业上下游之间的关联性 (19) 1、行业上游 (19) 2、行业下游 (19)

一、行业监管体制、法律法规及产业政策 1、行业主管部门和监管体系 石墨烯行业的行政监管主体以工信部、国家发改委、科技部为主。工信部拟订并组织实施有关于石墨烯行业的规划、产业政策和标准，同时监测石墨烯行业的日常运行。国家发改委研究分析国内外经济形势和发展情况并制定相关战略外，负责推进产业结构战略性调整和升级。科技部主要工作是研究提出石墨烯行业改革的方针、政策和措施，提高石墨烯行业的科技创新能力。 石墨烯行业自律组织包括中国非金属矿工业协会石墨专业委员会、中国炭素行业协会和中国石墨烯产业技术创新战略联盟。 中国非金属矿工业协会石墨专业委员会：成立于1987年，业务范围包括行业管理、信息交流、业务培训、国际合作、咨询服务；分析研究石墨市场发展形势，解决行业存在的问题，进行信息交流，招商引资，向政府反映企业的呼声等，并及时为企业提供信息和服务，促进企业技术进步和结构调整，增强竞争力，提高管理水平。 中国炭素行业协会：由炭素生产、经营企业和科研、设计院所自愿组成的全国性、行业性的社会团体法人。主要任务包括：开展行业调查研究，向政府部门提出行业政策、立法等方面的建议；研究、制定行业发展规划；进行行业统计，发布行业信息；参与制定、修改行业标准；组织行业产品展览及技术交流与合作；开展国际交流与合作；举办行业情况报告会、研讨会等。

碳纳米材料综述

碳纳米材料综述 课程: 纳米材料 日期：2015 年1２月

碳纳米材料综述 摘要:纳米材料是一种处于纳米量级的新一代材料，具有多种奇异的特性，展现特异的光、电、磁、热、力学、机械等物理化学性能,这使得纳米技术迅速地渗透到各个研究领域,引起了国内外众多的物理学家、化学家和材料学家的广泛关注,也成为当前世界最热门的科学研究热点。物理学家对纳米材料感兴趣是因为它具有独特的电磁性质，化学家是因为它的化学活性以及潜在的应用价值，材料学家所感兴趣的是它的硬度、强度和弹性。毫无疑问,基于纳米材料的纳米科技必将对当今世界的经济发展和社会进步产生重要的影响。因此,对纳米材料的科学研究具有非常重要的意义。其中,碳纳米材料是最热的科学研究材料之一。 我们知道,碳元素是自然界中存在的最重要的元素之一，具有ｓp、sp2、sp3等多种轨道杂化特性。因此,以碳为基础的纳米材料是多种多样的，包括常见的石墨和金刚石，还包括近几年比较热门的碳纳米管、碳纳米线、富勒烯和石墨烯等新型碳纳米材料。 关键词:纳米材料碳纳米材料碳纳米管富勒烯石墨烯 １.前言 从人类认识世界的精度来看，人类的文明发展进程可以划分为模糊时代（工业革命之前)、毫米时代(工业革命到２0世纪初）、微米和纳米时代（20世纪40年代开始至今)。自20世纪80年代初，德国科学家Ｇｌeｉter提出“纳米晶体材料’，的概念，随后采用人工制备首次获得纳米晶体,并对其各种物性进行系统的研究以来,纳米材料己引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级(通常指1—１00 nm)的极细颗粒组成的固体材料。从广义上讲,纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。通常分为零维材料(纳米微粒),一维材料(直径为纳米量级的纤维),二维材料(厚度为纳米量级的薄膜与多层膜)，以及基于上述低维材料所构成的固体。从狭义上讲，则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体(体材料与微粒膜)。纳米材料的研究是人类认识客观世界的新层次，是交叉学科跨世纪的战略科技领域[1］。 碳纳米材料主要包括富勒烯、碳纳米管和石墨烯等,是纳米科学技术中不可或缺的材料,从１98５年富勒烯(Fullereｎe）的出现到1991年碳纳米管(ｃaｒｂon ｎanotubｅ,CNＴs)的发现，碳纳米材料所具有的独特物理和化学性质引起了国内外研究人员广泛而深入的研究，二十年来取得了很多的成果。２004 年Ｇeｉm研究组的报道使得石墨烯（Ｇｒaｐhene)成为碳纳米材料新一轮的研究热点，其出现充实了碳纳米材料家族,石墨烯具有由碳原子组成的单层蜂巢状二维结构,由于它只有一个原子的厚度，可以将其视为形成其它各种维度的石墨相关结构碳材料的基本建筑块,石墨烯既可翘曲形成零维的富勒烯及卷曲形成一维的碳纳米管，亦可面对面堆积形成石墨,由于石墨烯具有优异的电学、导热和机械性能及较大的比表面积，因而在储氢材料、超级电容器、高效催化剂及纳米生物传感等方面有着广泛的应用[２]。 2．常见的碳纳米材料

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

碳纳米管的现状和前景

碳纳米管的现状和前景 信息技术更新日新月异，正如摩尔定律所言，集成电路的集成度每隔18 个月翻一番，即同样的成本下，集成电路的功能翻一倍。这些进步基于晶体管的发展，晶体管的缩小提高了集成电路的性能。 在硅基微电子学发展的过程中,器件的特征尺寸随着集成度的越来越高而日益减小,现在硅器件已经进入深微亚米阶段，也马上触及到硅器件发展的瓶颈，器件将不再遵从传统的运行规律,具有显著的量子效应和统计涨落特性. 为了解决这些问题,人们进行了不懈地努力,寻找新的材料和方法，来提高微电子器件的性能。研究基于碳纳米管的纳电子器件就是其中很有前途的一种方法。 碳纳米管简介 一直以来都认为碳只有两种形态——金刚石和石墨。直至1985年发现了以碳60为代表的富勒烯、从而改变了人类对碳形态的认识。1991年，日本筑波NEC研究室内科学家首次在电子显微镜里观察到有奇特的、由纯碳组成的纳米量级的线状物。此类纤细的分子就是碳纳米管 碳纳米管有许多优异的性能，如超高的反弹性、抗张强度和热稳定性等。被认为将在微型机器人、抗撞击汽车车身和抗震建筑等方面有着极好的应用前景。但是碳纳米管的第一个获得应用的领域是电子学领域、近年来，它已成为微电子技术领域的研究重要方面。 研究工作表明，在数十纳米上下的导线和功能器件可以用碳纳米管来制造，并连接成电子电路。其工作速度将过高于已有的产品而功率损耗却极低! 不少研究组已经成功地用碳纳米管制成了电子器件。例如IBM 的科学家们就用单根半导体碳纳米管和它两端的金属电极做成了场效应管（FETs）。通过是否往第三电极施加电压，可以成为开关，此器件在室温下的工作特性和硅器件非常相似，而导电性却高出许多，消耗功率也小。按理论推算，纳米级的开关的时钟频率可以达到1太赫以上，比现有的处理器要快1000倍。 碳纳米管的分类 石墨烯的碳原子片层一般可以从一层到上百层，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。 单壁碳纳米管（SWNT）由单层石墨卷成柱状无缝管而形成是结构完美的单分子材料。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。 多壁碳纳米管MWNT可看作由多个不同直径的单壁碳纳米管同轴套构而成。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0.1～50μm。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

碳纳米管材料的研究现状及发展展望

碳纳米管材料的研究现状及发展展望 摘要： 碳纳米管因其独特的结构和优异的物理化学性能，具有广阔的应用前景和巨大的商业价值。本文综述了碳纳米管的制备方法、结构性能、应用以及碳纳米管发展趋势。 关键词：碳纳米管；制备；性质；应用与发展 1、碳纳米管的发展历史 1985年发现了巴基球(C60)；柯尔、克罗托和斯莫利在模拟宇宙长链碳分子的生长研 究中，发现了与金刚石、石墨的无限结构不同的，具有封闭球状结构的分子C60。（1996年获得诺贝尔化学奖） 1991年日本电气公司的S. Iijima在制备C60、对电弧放电后的石墨棒进行观察时，发现圆柱状沉积。空的管状物直径0.7-30 nm，被称为Carbon nanotubes (CNTs）； 1992年瑞士洛桑联邦综合工科大学的D.Ugarte等发现了巴基葱(Carbon nanoonion)； 2000年，北大彭练矛研究组用电子束轰击单壁碳纳米管，发现了Ф0.33 nm的碳纳米管,稳定性稍差; 2003年5月，日本信州大学和三井物产下属的公司研制成功Ф 0.4 nm的碳纳米管。 2004年3月下旬, 中国科学院高能物理研究所赵宇亮、陈振玲、柴之芳等研究人员，利用一定能量的中子与C70分子相互作用，首次成功合成、分离、表征了单原子数目富勒烯 分子C141。 2004 ，曼彻斯特大学的科学家发现Graphene(石墨烯)。进一步激发了人们研究碳纳米材料的热潮。 2、碳纳米管的分类 2.1碳纳米管 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，一般可分为单壁碳纳 米管、多壁碳纳米管。 2.2纳米碳纤维 纳米碳纤维是由碳组成的长链。其直径约50-200nm，亦即纳米碳纤维的直径介于纳米碳 管（小于100 nm）和气相生长碳纤维之间。 2.3碳球 根据尺寸大小将碳球分为：(1)富勒烯族系Cn和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构，直径在2—20nm之间)，如C60，C70等；(2) 纳米碳粉。 2.4石墨烯 石墨烯（graphene）是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是构建其它维度碳质材料的基本单元。 3、碳纳米管的制备 3．1电弧法

碳纳米管(CNTs)及其制备技术综述

碳纳米管（CNTs）及其制备技术 1.概述 1991年，Iijima在石墨电弧放电产物中发现了碳纳米管（CNTs），从此碳纳米管成为碳家族的一个新成员。CNTs是纳米科学的一颗耀眼明珠，其独特的结构、优良的物理和化学性能、巨大的应用前景吸引了大批的物理学家、化学家和材料学家的兴趣，成为科学领域的研究热点。尤其是单壁碳纳米管的发现和研究被科学界权威杂志《Science》评为1997年世界十大科技成果之一。 2.碳纳米管的结构和性能 2.1碳纳米管的结构 碳纳米管是由多个碳原子六方点阵的同轴圆柱面套构而成的空心小管，相临的同轴圆柱面之间的距离与石墨的层间距相当，约为0.34nm，管壁由六边形排列的碳原子组成，每个碳与周围的三个碳原子相邻，碳/碳间通过sp2杂化键结合。管的直径为零点几纳米到几十纳米，管的长度为微米级。管的直径和长度随不同的制备方法及条件的变化而不同。管的端部由五边形排列的碳原子封顶。碳纳米管绝大多数两端是封闭的，并且这种封闭与碳纳米管圆管平滑连接，较小直径的碳纳米管的封闭形式一般呈半圆状，这对应于半个富勒烯（Fullerence）笼。 依据组成碳纳米管的石墨片层数的不同，碳纳米管可分为单壁碳纳米管即含一层石墨片的碳纳米管以及由一层以上石墨片组成的多壁碳纳米管。碳纳米管结构示意图如图1所示。 图1 碳纳米管结构示意图（a）四层碳纳米管结构（b）单层碳纳米管结构 2.2碳纳米管的性能 碳纳米管具有独特的电子结构和物理化学性质，可以在许多方面得到广泛的应用。碳纳米管的直径-长度比很大，一般情况下，长度都是直径的几千倍，远远大于普通的纤维材料；它的强度比钢高约100倍，而重量仅仅为钢材料的六分之一，有可能成为一种新型的高强度碳纤维材料。这种“超级碳纤维”材料既具有碳素材料的固有本性，又具有金属材料的导电性、导热性，陶瓷材料的耐热和耐腐蚀性，纺织纤维的可编织性以及高分子材料的轻质、易于加工性，因而具有极大的应用潜力。 由于碳纳米管具有纳米尺度的尖端曲率半径，在相对比较低的电压下就能够发射大量的电子，因此，碳纳米管材料能够呈现出良好的场致发射特性，非常适

2019年碳纳米管行业分析报告

2019年碳纳米管行业 分析报告 2019年9月

目录 一、技术替代效应显著，碳纳米管市场进入爆发期 (4) 1、导电剂是碳纳米管材料最常见应用场景 (4) 2、正极材料导电剂更新换代，碳纳米管迎来爆发期 (6) 3、导电剂市场受到新能源汽车产业链强势驱动，增量可观 (11) 4、导电性拓展新的应用场景 (14) （1）硅碳负极 (14) （2）导电塑料 (16) 二、高技术壁垒保证行业高毛利 (18) 1、生产技术难度大，行业毛利率高 (18) 2、产学结合，高研发投入形成高技术壁垒 (21) 三、绑定核心优质客户是快速拓展市场关键 (25) 1、行业扩产较为保守，预计供需偏紧 (25) 2、降价趋势清晰，但幅度受供需限制 (26) 3、客户集中度高，拓展客户是关键 (28) 四、相关企业简况 (32) 1、天奈科技 (32) 2、道式技术 (33)

技术替代效应显著，碳纳米管市场进入爆发期。目前碳纳米管最广的应用范围是作为导电剂加入到锂电池材料中。产业界综合产品性能、经济性等因素逐步选择用碳纳米管代替炭黑，碳纳米管在导电剂中18年占比32%，较14年提升18%，随着技术成熟预计替代效应将会持续且更为显著。增量角度看，受到新能源汽车产业链强势驱动，导电剂市场持续爆发。预计在锂电池正极领域，未来5年全球碳纳米管导电浆料需求量将保持40.8%的年复合增长率，2021年需求量达10.82万吨。 碳纳米管应用有望拓展至硅碳负极和导电塑料。新能源汽车行业对电池的能量密度提出更高的要求，硅碳负极被认为是合理的途径。2018年硅碳负极占负极材料比例仅为2.8%，我们测算未来三年硅碳负极用碳纳米管浆料需求量年复合增长率为97.9%，2021年需求量达1.6万吨。 高技术壁垒保证高毛利。碳纳米管导电剂行业毛利率约为40%。左右，盈利性好。其生产途径包括制粉和混浆两步。制粉工艺关键是催化剂，技术难度高，行业主要采用产学结合方式获得专利，并持续研究开发更新换代，形成较高技术壁垒，保证高毛利。混浆工艺较为简单，溶剂NMP 的成本占比达到总工序的60%左右。业绩弹性大，但作为基础工业品其价格波动较小。 绑定核心优质客户是快速拓展市场关键。行业扩产较为保守，预计短期内供需仍然偏紧。但新能源汽车产业链受到补贴退坡市场化影响，碳纳米管的材料价格下行趋势较为清晰。碳纳米管行业目前体量

碳纳米管的研究进展

碳纳米管的研究进展* 王全杰1,2** 王延青1*** （1. 陕西科技大学资源与环境学院，陕西 西安 710021；2. 烟台大学化学生物理工学院， 山东 烟台 264005） 摘要：碳纳米管是由石墨层片卷成的管状结构的一种新型纳米材料，拥有独特的物理化学、电学、热学和机械性能以及十分诱人的应用前景。文章对碳纳米管的制备方法、性质、纯化及应用前景进行了简要的综述。 关键词：碳纳米管；合成；性能；纯化；应用 中图分类号G 311 文献标识码 A Progress of Research for Carbon Nanotubes Wang Quanjie 1,2,Wang Yanqing 1 （1.College of Resource and Environment，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021,China；2. Chemistry and Biology College，Yantai University，Yantai 264005,China）Abstract: Carbon nanotubes are a new class of nano-material with tubular structure formed via rolling-up of coaxial sheets of graphite. They have unique physicochemical, electrical, thermal and mechanical properties, opening up various intriguing possibilities for applications. The preparation methods, properties, methods of purification and application of carbon nanotubes are briefly reviewed. Key words: carbon nanotubes；synthesis；property；purification；application 自1991年日本科学家Lijima发现碳纳米管(Carbon Nanotubes,简称CNTs)，1992年Ebbesn等人提出了实验室规模合成碳纳米管的方法后，其独特的结构和物理化学性质受到人们越来越多的关注[1]。碳纳米管因具有尺寸小、机械强度高、比表面大、电导率高、界面效应强等特点,从而使其具有特殊的机械、物化性能，在工程材料、催化、吸附、分离、储能器件电极材料等诸多领域中具有重要的应用前景。 *基金来源：山东省科技攻关项目（2008GG10003020） **第一作者简介：王全杰，男，1950年生，教授 ***通讯联系人

碳纳米管的性能综述

碳纳米管的性能综述 摘要 碳纳米管因为性能多方面并且应用广泛而受到很多研究员的关注，本文将对碳纳米管的几个性能的研究进行综述，包括碳纳米管的碳纳米管/FeS类Fenton催化剂催化性能、纳米连接性能、碳纳米管增强复合材料风机叶片性能、碳纳米管稳定性能分析、碳纳米管机械强度、碳纳米管吸附特性的综述。 关键字：碳纳米管性能催化剂催化性能连接性能稳定性能纤维的性能吸附特性 碳纳米管/FeS类Fenton催化剂催化性能 杨明轩等以浮动催化热分解法制备碳纳米管( CNTs) ，采用氧化-还原-硫化的方法制备了CNTs /FeS催化剂，采用X射线衍射( XＲD) 透射电子显微镜( TEM) 和热重( TG) 分析等技术对催化剂进行了结构表征。将CNTs /FeS作为类Fenton催化剂用于水中环丙沙星的去除，研究了降解过程中H2O2 浓度CNTs /FeS催化剂的投加量环丙沙星浓度及pH等因素对催化降解性能的影响。结果表明，CNTs /FeS类Fenton催化反应在H2O2 浓度为20mmol /L和CNTs /FeS催化剂的投加量为10 mg的条件下具有最优的降解效果，其催化反应过程符合一级动力学方程，且具有更加宽泛的pH适应范围( pH=3 ～8) ，同时，CNTs /FeS类Fenton 催化剂在使用寿命方面也具有一定的优势．结论是采用碳纳米管原始样品制备了CNTs /FeS 类Fenton催化剂，并应用于环丙沙星的催化降解反应中，在pH=3 ～8范围内可保持较高去除率( 可达89%) ; 当H2O2 浓度为20mmol /L时，去除率最高( 可达90%) ; CNTs /FeS催化剂催化降解环丙沙星反应过程符合表观一级动力学方程。CNTs /FeS类Fenton催化反应在固液比1 ∶2的情况下，循环使用4次后仍然保持较高的催化降解效率。 碳纳米管的连接性能 2002年，Derycke等采用恒定的电流施加于Au电极结果表明，在焦耳热作用下，单壁碳纳米管( SWCNTs) 与金电极接触处的氧气等吸附物发生脱附，并获得了较低的接触电阻。 2006年，Chen等提出一种新颖的超声纳米焊接技术该技术使用超高频微幅振动的压头，成功地将CNTs压焊到金属电极上，形成可靠的电接触结果表明，焊接后的结构具有较高的机械强度和较低的接触电阻采用这种超声纳米焊接技术，能极大地改善基于CNTs的场效应晶体管性能。目前的纳米连接技术主要包括局部焦耳热法高温退火法电子束焊接法超声纳米焊接和原子力显微镜操纵法。 2011年，Karita等研究了多壁碳纳米管( MWCNTs) 和金电极间的电接触，并在接触处施加电流结果表明，当电流密度达到108A /cm2时，金表面沿着MWCNTs端开始熔化当电流密度提高2倍时，观察到接触区域的金表面结构发生显著性改变，从而减少了接触阻抗该研究组还针对开口和封口CNTs与金电极的纳米连接进行了研究发现，在与Au电极接触的区域中，采用开口CNTs所获单位面积电导率约为封口CNTs电导率的4倍但同时观测到，采用局部焦耳热法时，所产生的大电流引起连接区域材料过度熔化及表面形貌的改变，进而影响器件的性能。 碳纳米管的稳定性能

碳纳米管的改性研究进展

碳纳米管的改性研究进展 摘要：碳纳米管因其独特的结构与优异的性能，在许多领域具有巨大的应用潜力而引起了广泛的关注。由于碳纳米管不溶于水和有机溶剂，极大地制约了其性能的应用，因此碳纳米管的功能化改性 就成为目前研究的热点。本文简要介绍了碳纳米管及其性质作，详细阐述了碳纳米管的改性研究进展，并对今后的研究方向进行了展望。 关键词：碳纳米管；结构与性能；功能化；共价改性；非共价改性 1. 碳纳米管及其性能简介 1.1碳纳米管的结构 碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs）是1991年由日本筑波NEC公司基础研究实验室的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的一种具有一维管状结构的碳纳米材料。因其独特的准一维管状分子结构、优异的力学、电学和化学性质及其在高科技领域中潜在的应用价值，引起了世界各国科学家们的广泛关注，由此引发了碳纳米管的研究热潮和十多年来纳米科学和技术的飞速发展。 碳纳米管是单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝、中空的 微管，每层纳米管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 六边形平面组成的圆柱面。根据构成管壁碳原子层数的不同，CNTs可以分为:单壁碳纳 米管(single-walled carbon nanotube，SWNT)和多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotube, MWNT)两种形式。MWNTs的层间接近ABAB堆垛，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。MWNTs的典型直径和长度分别为2～30nm 和0.1～50μm；SWNTs典型的直径和长度分别为0.75～3nm和1～50μm。与MWNTs 比，SWNTs是由单层圆柱型石墨层构成，其直径的分布范围小，缺陷少，具有更高的 均匀一致性。无论是MWNTs还是SWNTs都具有很大的长径比，一般为100～1000， 最大可达到1000～10000，可以认为是一维分子。CNTs有直形、弯曲、螺旋等不同外形。在MWNTs中不同石墨层的螺旋角各不相同，由Euler定理可知，在CNTs的弯曲处，一定要有成对出现的五元环和七元环才能使碳纳米管在弯曲处保持光滑连续，而封 闭的两端半球形或多面体的圆拱形是由五元环参与形成的。但是实际制备的CNTs或多 或少存在这样那样缺陷，主要缺陷有三种类型：拓扑学缺陷，重新杂化缺陷和非完全键

碳纳米管的性质与应用

碳纳米管的性质与应用 【摘要】 本文主要介绍了碳纳米管的结构特点，制备方法，特殊性质，由于碳纳米管独特性质而产生的广泛应用，并对其前景进行展望。 【关键词】 碳纳米管场发射复合材料优良性能 【前言】 自日本NEC科学家Lijima发现碳纳米管以来，碳纳米管研究一直是国际新材料领域研究的热点。由于碳纳米管具有特殊的导电性能、力学性质及物理化学性质等，故其在许多领域具有其广阔的应用前景，自问世以来即引起广泛关注。目前，国内外有许多科学家对碳纳米管进行研究，科研成果颇丰，尤其是碳纳米管在复合材料、储氢及催化等领域的应用。 【正文】 一、碳纳米管的结构 碳纳米管中碳原子以sp2杂化为主，同时六角型网格结构存在一定程度的弯曲，形成空间拓扑结构，其中可形成一定的sp3杂化键，即形成的化学键同时具有sp2和sp3混合杂化状态，而这些p 轨道彼此交叠在碳纳米管石墨烯片层外形成高度离域化的大π 键，碳纳米管外表面的大π 键是碳纳米管与一些具有共轭性能的大分子以非共价键复合的化学基础[1]。 对多壁碳纳米管的光电子能谱研究结果表明，不论单壁碳纳米管还是多壁碳纳米管，其表面都结合有一定的官能基团，而且不同制备方法获得的碳纳米管由于制备方法各异，后处理过程不同而具有不同的表面结构。一般来讲，单壁碳纳米管具有较高的化学惰性，其表面要纯净一些，而多壁碳纳米管表面要活泼得多，结合有大量的表面基团，如羧基等。以变角X 光电子能谱对碳纳米管的表面检测结果表明，单壁碳纳米管表面具有化学惰性，化学结构比较简单，而且随着碳纳米管管壁层数的增加，缺陷和化学反应性增强，表面化学结构趋向复杂化。内层碳原子的化学结构比较单一，外层碳原子的化学组成比较复杂，而且外层碳原子上往往沉积有大量的无定形碳。由于具有物理结构和化学结构的不均匀性，碳

碳纳米管及其传感效应

碳纳米管及其传感效应 什么是碳纳米管? 1991年，日本电气公司教授S.lijima[1] 发现了碳纳米管，这种碳纳米管是90 年代发现的碳家族中第五种同素异形体，由自然界最强的C - C共价键结合而成。碳纳米管的结构可看成是由石墨烯卷成的圆筒，碳原子在其表面呈螺旋状排列，特殊情况下可呈扶手椅和锯齿状。根据壁的层数，它可分为单壁和多壁两种；同时，根据特性矢量（n，m ，它又分为金属性和半导体性两种：当n-m为3的整数倍时，其为金属性，其余情况下则为半导体性[2]。因为特有的力学、电子、化学性质以及准一维管状分子结构和潜在应用价值，碳纳米管已成为化学界的一颗新星，引起了物理学家、化学家、材料学家极大的兴趣，各国皆投入了大量的人力、物力对它的性质、制备、应用进行了一系列的研究，并取得了可喜的成果。 碳纳米管气体传感器 纳米碳管具有中空结构和大的壁表面积，对气体具有很大的吸附能力。由于吸附的气体分子与碳纳米管相互作用，因而改变了它的费米能级的变化，进而引起宏观电阻发生较大改变，通过对电阻变化的测定即可检测气体的成分，因此，碳纳米管可用来制作气体分子传感器。当前，J.Kong等人[3]已成功地研究了单根单壁半导体碳纳米管的气敏特性，为一维碳纳米管作为敏感材料构成气敏传感器的研究打开了大门。 碳纳米管有望用做生物传感器（图）

作者：Richard Comerford 日期：2005-4-1 来源：本网 字符大小：【大】 【中】［小］ 伊利诺斯大学（位于美国伊利诺斯州乌尔班纳-香巴尼）和斯坦福大学（位于美国加 利福尼亚州）科研人员的研究结果表明：利用碳纳米管来进行生物测定的应用正在 取得快速进展。近期的实例之一就是采用纳米管来监测血液中的葡萄糖水平，这使 得糖尿病人无须通过手指采血便能够检查自己的血糖水平。 ---该研究小组开发出了对过氧化氢敏感的纳米管，当它与葡萄糖接触时，将产生数 量可变的过氧化氢。过氧化氢会使纳米管的光学性质发生变化，因此，产生的过氧 化氢越多，则纳米管在暴露于近红外激光下时所发出的荧光就越强。 0.3 mm * semi-permeab!e * membrane d-glucose carbon nanotube / \ (iLC.L&^^asse mb I ed \ protein monolayer ---研究人员称这有可能导致人们将含有交变纳米管（altered nanotube ）的小型多 孔毛细管移植到糖尿病人的皮肤下。这样，糖尿病人便可以利用具有激光指示的设 备来测量荧光强度，以定期检查自己的血糖水平 一一他们将不必抽血取样（这种 做法日积月累会令病人感到异常疼痛）。 ---此前，斯坦福大学的研究人员已经开发出了采用聚环氧乙烷链进行处理并有选择 性地针对特定蛋白质的碳纳米管。它们能够检测出与全身红斑狼疮及混合型结缔组 织疾病有关的抗原。 near-IR 匚? emission cap near-IR excitation

碳纳米管研究进展

碳纳米管研究进展 摘要： 碳纳米管是一种具有独特结构的一维量子材料，由石墨碳原子层卷曲而成。 纳米材料被誉为21世纪的重要材料，而作为新型纳米材料的碳纳米材料因其本身所拥有的潜在优越性，在化学、物理学及材料学领域具有广阔的应用前景，成为全球科学界各级科研人员争相关注的焦点。碳纳米管因其独特的结构和优异的物理化学性能，具有广阔的应用前景和巨大的商业价值。近年来，美国、日本、德国和中国等国家相继成立了纳米材料研究机构，碳纳米管的研究进展随之加快，并在制备方面取得了突破性进展。 关键词： 碳纳米管、制备、应用、最新研究 正文： 1、碳纳米管的制备： 碳纳米管的制备方法主要有：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方法。 电弧法——石墨电弧法是最早的、最典型的碳纳米管合成方法。其原理为电弧室充惰性气体保护，两石墨棒电极靠近，拉起电弧，再拉开，以保持电弧稳定。放电过程中阳极温度相对阴极较高，所以阳极石墨棒不断被消耗，同时在石墨阴极上沉积出含有碳纳米管的产物。由于电弧放电剧烈，难以控制进程和产物，合成物中有碳纳米颗粒、无定形炭或石墨碎片等杂质，杂质很难分离。所以研究者在优化电弧法制取碳纳米管方面做了大量的工作。为减少相互缠绕的碳纳米管在阴极上的烧结，D.T.Collbert将将石墨阴极与水冷铜阴极座连接，大大减少了碳纳米管的缺陷。C.Journet等在阳极中填入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。 催化裂解法——催化裂解法亦称为化学气相沉积法，其原理是通过烃类或含碳氧化物在催化剂的催化下裂解而成。目前对化学气相沉积法制备碳纳米管的研究表明，选择合适的催化剂、碳源以及反应温度十分关键。K.Hernadi等发现碳源的催化活化顺序为：乙炔＞丙酮＞乙烯＞正茂烷＞丙烯≥甲醇=甲苯≥甲烷。 Ren等在666℃条件下,在玻璃上通过等频磁控管喷镀法镀上厚度为40nm的金属镍,以乙炔气体作为碳源,氨气作为催化剂,采用等离子体热流体化学蒸气分解

碳纳米管纳米材料的应用要点

碳纳米管及其复合材料在储能电池中的应用摘要碳纳米管具有良好的机械性能和导电性、高化学稳定性、大表面积以及独特的一维结构，选择合适的方法制备出碳纳米管复合材料，可以使其各种物理化学性能得到增强，因而在很多领域有着极大的应用前景，尤其是在储能电池中的应用。本文分析了碳纳米管及其复合材料的特点，总结了碳纳米管的储锂机理，对其发展趋势作了展望。 关键词碳纳米管复合材料储能电池应用 Abstract carb on nano tubes(CNTs) are nano meter-sized carb on materials with the characteristics of unique one-dimensional geometric structure large surface area high electrical conductivity，elevated mechanical strength and strong chemical inertn ess. Selecti ng appropriate methods to prepare carb on nano tube composites can enhance physical and chemical properties , and these composites have a great future in many areas especially in energy storage batteries . In this paper, based on the analysis and comparis on of the adva ntages and disadva ntages of carb on nano tube composites the enhan ceme nt mecha ni sms of the CNTs catalysts are in troduced. Afterwardthe lithium ion storage properties are summarized according to the preparation methods of composite materials. Finally, the prospects and challenge for these composite materials are also discussed. Keywords carb on nano tube; composite; en ergy storage batteries; applicati on 1引言 碳纳米管(CNTs)在2004年被人们发现，是一种具有特殊结构的一维量子材料,它 的径向尺寸可达到纳米级，轴向尺寸为微米级，管的两端一般都封口，因此它有很大的强度，同时巨大的长径比有望使其制作成韧性极好的碳纤维。碳纳米管由于其独特的一维纳米形貌被作为锂离子电池负极材料广泛研究，通过对碳纳米管进行剪切，官能化及掺杂等方法进行改性处理，能有效的减少碳纳米管的首次不可逆容量，增加可逆的储锂比容量。此外，碳纳米管的中空结构也成为抑制高容量金属及金属氧化物体积膨胀理想复合基体。本文中，我们研究了碳纳米管的储锂性能，考察了碳纳米管作为锡类复合材料基体，其内部限域空间对高容量金属及金属氧化物的储锂性能促进的具体原因。该研究结果为碳纳米管以及其他具有限域空间的结构在锂离子电池中的应用提供了参考。 2碳纳米管的储锂机理和应用 相比广泛应用的石墨类材料，碳纳米管在锂离子电池负极材料中有其独特的应用优势。首先，碳纳米管的尺寸在纳米级，管内及间隙空间也都处于纳米尺寸级，因而具有纳米材料的小尺寸效应，能有效的增加锂离子在化学电源中的反应活性空间；其次，碳纳米管的比表面积较大，能增加锂离子的反应活性位，并且随着碳纳米管的管径减小其表现出非化学平衡或整数配位数的化合价，储锂的容量增大；第三，碳纳米管具有良好的导

碳纳米管的研究进展及应用

碳纳米管的研究进展及应用 一引言 1.1 纳米材料 纳米材料是近年来受到人们极大关注的新型领域，纳米材料的概念形成于20世纪80年代，在上世纪90年代初期取得较大的发展。 广义地说，纳米材料是指其中任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料[1]。当小粒子尺寸加入纳米量级时，其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。 纳米材料具有四大特点: 尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性，使纳米材料在国防、电子、化工、催化剂、医药等各种领域具有重要的应用价值。 1.2 碳纳米管 碳是自然界分布非常普遍的一种元素。碳元素的最大的特点之一就是存在多种同素异形体，形成许许多多的结构和性质完全不同的屋子。长期以来，人们一直以为碳的晶体只有两种：石墨和金刚石。直到1985年，英国科学家Kroto 和美国科学家Smalley在研究激光蒸发石墨电极时发现了碳的第三种晶体形式 C60[2]，从此开启了人类认识碳的新阶段。 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）发现了多壁碳纳米管（MultiWalled Carbon Nanotubes ，MWNTs），直径为4-30nm，长度为1um。，最初称之为“Graphite tubular”。 1993年单壁碳纳米管也被发现（Single-Walled Carbon Nanotubes ，SWNTs），直径从0.4nm到3-4nm，长度可达几微米。碳纳米管（CNT）[3]又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料。 它是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷绕而成的无缝、中空的“微管”，每层由一个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形组成的圆柱面。根据形成条件的不同，碳纳米管存在多壁碳纳米管(MWNTs)和单壁碳纳米管(SWNTs) 两种形式。