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。

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 carbon nanotubes（CNTs） are nanometer-sized carbon materials with the characteristics of unique one-dimensional geometric structure，large surface area，high electrical conductivity，elevated mechanical strength and strong chemical inertness. Selecting appropriate methods to prepare carbon nanotube 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 comparison of the advantages and disadvantages of carbon nanotube composites，the enhancement mechanisms of the CNTs catalysts are introduced. Afterward，the 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 carbon nanotube; composite; energy storage batteries; application 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

碳纳米管的结构_制备及修饰

科 ● 自Iijima [1]首次用高分辨透射电镜发现碳纳米管(CNTs)后,碳纳米管及其相关材料以其独特的性质、新颖的结构及许多潜在的应用前景引起了人们极大的兴趣和关注,而用纳米材料来修饰和填充碳纳米管成为人们研究的热点之一[2-4]。探索碳纳米管的物理、化学性能及其在各个领域中的应用也成为众多科研工作者研究的目标。碳纳米管的结构比较特殊是由类似于石墨的六边形网络所组成的管状物,独特的纳米中空结构、封闭的拓扑构型及不同的螺旋结构等使其具有大量特殊的优异性能,如导电性好，耐热，机械强度比较高，耐腐蚀，有自润滑性和生物相容性等。这些优异特性使得碳纳米管在复合材料、储氢材料、催化剂材料等方面有着巨大的应用潜力。纳米中空结构使得它有可能作为一种纳米反应器[5]。作为碳家族的新成员,它有合适的孔径分布,便于金属组分更好地分散[6]。它独特而又稳定的结构及形貌,尤其是表面性质,能依据人们的需要进行不同方法的修饰,使其适合作为新型催化剂载体[7-8]。 1 碳纳米管的性质 1.1 碳纳米管的结构 碳纳米管可分为单壁碳纳米管（SWNTs ）和多璧碳纳米管（MWNTs ）。碳纳米管可看作是由石墨烯层片卷成、直径为纳米尺度的圆桶,其两端由富勒烯半球封帽而成。多壁碳纳米管则是由若干个单层管同心套迭而成的，石墨碳原子中的4个价电子只有3个成键,形成六边形的平面网状结构。这种排列使石墨中的每个碳原子有一个未成对电子,这个未成对电子围绕着这个碳环平面高速运转,因而使石墨具有较好的导电性，碳纳米管中存在大量的六边形结构，当六边形往外逐渐延伸成为五边形时，会造成碳纳米管突出；而形成七边形时碳纳米管则凹进。这样就形成了碳纳米管独特的纳米中空结构、封闭的拓扑构型及不同的螺旋结构。而碳纳米管也由于如此的特殊结构具有了一系列卓越的性质。1.2碳纳米管的制备 电弧法制备碳管的基本原理是在两个相距很近的石墨电极间加上高电压以至放电，放电电弧产生的高温使得阳极石墨棒上的碳物质迅速蒸发，随后蒸发物质中的碳原子以团簇为单元组成多种碳物质形态，沉积于阴极和反应腔壁上，碳纳米管是其中的沉积产物之一。电弧法多用来制备多璧碳纳米管（MWNTs ）但制备的碳纳米管缺陷多,且与其他的副产物如无定形碳、纳米微粒等杂质烧结于一体,对以后的分离和提纯会有不利的影响。 催化裂解法（CVD 法）是目前应用最广泛的方法之一，该方法所用的关键设备就是可加热反应腔。反应腔可以分为立式固定床和卧式磁舟两种。其基本原理是:在中等温度下(800-1200K 左右),含碳化合物如烃、金属有机化合物、CO 等在金属催化剂的作用下分解为碳原子,沉积在金属颗粒的表面,然后溶解、扩散进入金属体相,最后析出生长成为碳纳米管。可以认为实现可控制技术的一个可能的途径是通过控制催化剂颗粒的大小和分布间接控制碳管的生长，因此有关CVD 技术的催化剂问题受到广泛关注。可以用于合成碳管的催化剂一般为过渡金属元素：Fe 、Co 、Ni 、Cr 、Mo 、Mg 和Si 等。同电弧法相比,催化裂解法制得的CNTs 缺陷较多，但是此法制得的碳纳米管产量大且易提纯,还可通过催化剂颗粒的大小控制碳纳米管的粗细。 激光蒸发法是制备碳纳米管的重要方法之一。它是利用激光对石墨进行蒸发并利用专门设计的收集器来收集合成的碳管。其基本原理是:在惰性气体流中用激光蒸发含有金属催化剂的石墨靶表面,在石墨上生长碳纳米管,随后收集于铜水冷器。激光束的宽度为6至7个毫米，经过计算机的精确引导，激光束持续而定量地蒸发含有金属催化 剂的石墨靶，再由流动的Ar 气将碳物质送到蒸发炉外的水冷铜收集器处，在那里就能找到碳管，该方法首次得到相对较大数量的单壁碳纳米管。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。 1.3碳纳米管的修饰 碳纳米管的修饰共分为两类，分别为共价修饰和有机化学修饰。其中碳纳米管的共价修饰共有三种途径:自由基加成法、电化学氧化法、化学试剂氧化法这三种。 自由基加成法是一种碳纳米管共价修饰的方法，CNTs 管壁上存在很大的自由基加成的可能性。在碳纳米管璧原位上的重氮化可以是碳纳米管有效地溶解在水中，增大碳纳米管的溶解度。Sinnott [15]采用经典分子动力学模拟方法构建了碳自由基与碳纳米管的加成模型，通过模型的建立发现带羧基的烷基自由基可以有效地加成到碳纳米管管壁上，得到功能化的碳纳米管。 通过电化学氧化法可以制得大量的碳纳米管修饰电极，将CNTs 固定于电极材料上，加压条件下用NaOH 溶液处理。万谦等[16]碳纳米管经过纯化、浓酸回流处理后与DMF 分散物质形成悬浮液，然后通过微量滴管等直接滴涂或溅射等方法修饰到各种基质电极上，即可制成碳纳米管修饰电极。 化学试剂氧化法是一种较为普遍的方法，以浓硝酸或者硝酸和硫酸的混酸作为强氧化剂，经过处理后使得碳纳米管表面具有大量的羧基和羟基基团，这种方法简单易行，很多文献对碳纳米管修饰都是采用此方法，但是表面羧基化后的CNTs 其表面羧基之间存在氢键作用，碳纳米管分散性和溶解性还是仍然较差，还需要进一步对CNTs 表面的COOH 进行反应，破坏羧基之间的氢键作用。 CNTs 的化学修饰共分为三类，包括酸碱中和反应、酰化反应、胺化反应，其中酸碱中和反应是认为羧基化后的CNTs 可以与带碱性基团的聚合物发生类似于酸碱中和反应的反应，在上个世纪90年代，Chen 等以羧基化后的碳纳米管与带碱性基团的聚合物十八胺发生中和反应，第一次得到了可溶性CNTs 为SWNTs 在各种生物及超分子领域的应用提供了依据。Banerjee 等用Wilkinson 催化剂[RhCl(PPh 3)3]与羧基化SWNTs 反应，发现修饰后的SWNTs 溶解度显著增大在二甲基甲酰胺(DMF)、四氢呋喃(THF)、二甲基亚砜(DMSO)等有机溶剂中，从而证明金属离子可通过离子作用与羧基化CNTs 反应。 酰化反应如酰胺化反应和酰氯化反应等，酰氯化反应是碳纳米管在加热条件下在硝酸中回流后，以亚硫酰二氯(SOCl 2)作酰化剂，得到含有酰基氯的碳纳米管。由于含有酰基氯的碳纳米管具有更高的活性，可以与苯胺发生酰胺化反应进一步得到含有酰基苯胺的碳纳米管。 2结论 多壁碳纳米管是一类新奇碳素纳米材料。典型的CNTs 具有纳米级管状结构。鉴于这类新奇管状纳米碳材料具有独特的结构和物化性质，作为一种新型碳素催化剂载体或促进剂，较之一些常规载体材料更具特色，近年来引起国际催化学界的日益注意，所涉及用CNTs 作为新型催化剂载体或促进剂的研究领域包括:选择加氢、氢甲酞化、选择脱氢、氨合成、FT 合成、甲醇/低碳醇合成等。【参考文献】 ［1］Iijima S.Helical microtubules of graphitic carbon .Nature ,1991,354:56-58．［2］Kogak,Gao G T ,Tanaka H ,et al.Formation of ordered ice nanotubes inside carbon nanotubes[J].Nature ,2001,412:802-805.（下转第38页） 碳纳米管的结构、制备及修饰 赵健勇（山东师范大学化学化工与材料科学学院 山东济南250014） 【摘要】本文详细介绍了碳纳米管的特殊结构，各种不同的制备方法，以及在共价修饰和化学修饰的各种方法，对碳纳米管应用作出展 望。 【关键词】碳纳米管；结构；制备；修饰

碳纳米管的特性及应用_孙晓刚

作者介绍:孙晓刚(1957-),男,吉林人,江西金世纪冶金(集团)股份有限公司高级工程师,长期从事碳纳米管制备工 艺的研究,并对碳纳米管的工业化生产进行了广泛深入的研究和商业策划工作。 收稿日期:2001-02-21 修回日期:2001-05-08 碳纳米管的特性及应用 孙晓刚1,曾效舒2,程国安2 (1.江西金世纪冶金(集团)股份有限公司,江西南昌　330046;　2.南昌大学,江西南昌　330029) 摘　要:介绍了巴基球及碳纳米管的发现和历史,重点介绍 了碳纳米管的基本性能和晶体结构,描述了碳纳米管电传导 和热传导的机理。文中还介绍了碳纳米管的主要生产方法 和各自的优点。根据全球碳纳米管应用研究的方向,对碳纳 米管的应用领域进行了探讨,展望了碳纳米管的应用前景及 商业开发价值。 关键词:碳纳米管;性能;制备;应用 中图分类号:T B383 文献标识码:A 文章编号:1008-5548(2001)06-0029-05 1　碳纳米管简介 仅仅在十几年前,人们一般认为碳的同素异形 体只有两种:石墨和金刚石。1985年,英国Sussex 大学的Kroto教授和美国Rice大学的Sm alley教授 进行合作研究,用激光轰击石墨靶以尝试用人工的 方法合成一些宇宙中的长碳链分子。在所得产物中 他们意外发现了碳原子的一种新颖的排列方式,60 个碳原子排列于一个截角二十面体的60个顶点,构 成一个与现代足球形状完全相同的中空球,这种直 径仅为0.7nm的球状分子即被称为碳60分子。此 即为碳晶体的第三种形式。 1991年,碳晶体家族的又一新成员出现了,这 就是碳纳米管。日本NEC公司基础研究实验室的 Iijima教授在给《Nature》杂志的信中宣布合成了一 种新的碳结构。它由一些柱形的碳管同轴套构而 成,直径大约在1～30nm之间,长度可达到1μm。 进一步的分析表明,这种管完全由碳原子构成,并可 看成是由单层石墨六角网面以其上某一方向为轴, 卷曲360°而形成的无缝中空管。相邻管子之间的 距离约为0.34nm,与石墨中碳原子层与层之间的距 离0.335nm相近,所以这种结构一般被称为碳纳米 管。这是继C60之后发现的碳的又一同素异形体, 是碳团簇领域的又一重大科研成果。 碳纳米管由层状结构的石墨片卷曲而成,因卷 曲的角度和直径不同,其结构各异:有左螺旋的、右 螺旋的和不螺旋的。由单层石墨片卷成的称为单壁 碳纳米管,多层石墨片卷成的称为多壁碳纳米管。 碳纳米管的径向尺寸较小,管的外径一般在几纳米 到几十纳米;管的内径更小,有的只有1nm左右。 而碳纳米管的长度一般在微米量级,长度和直径比 非常大,可达103～106,因此,碳纳米管被认为是一 种典型的一维纳米材料。 碳纳米管、碳纳米纤维材料一直是近年来国际 科学的前沿领域之一。仅就碳纳米管而言,自从 1991年被人类发现以来,就一直被誉为未来的材 料。 2　基本性能 碳纳米管的性质与其结构密切相关。就其导电 性而言,碳纳米管可以是金属性的,也可以是半导体 性的,甚至在同一根碳纳米管上的不同部位,由于结 构的变化,也可以呈现出不同的导电性。此外,电子 在碳纳米管的径向运动受到限制,表现出典型的量 子限域效应;而电子在轴向的运动不受任何限制。 无缺陷金属性碳纳米管被认为是弹道式导体,其导 电性能仅次于超导体。根据经典电阻理论和欧姆定第7卷第6期 2001年12月 中　国　粉　体　技　术 China Powder Science and Technology Vol.7No.6 December2001

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

羧基化多壁碳纳米管修饰电极循环伏安法测定过氧化氢

羧基化多壁碳纳米管修饰电极循环伏安法测 定过氧化氢 【摘要】目的:研究用羧基化多壁碳纳米管修饰电极伏安法测定过氧化氢的浓度。方法:采用涂布法制成羧基化多壁碳纳米管修饰电极；在pH=7.0 KH2PO4-Na2HPO4缓冲溶液中，采用该修饰电极伏安法测定H2O2。结果:该修饰电极对H2O2有着显著的电催化作用，与裸玻碳电极相比，其灵敏度大大提高，在 1.2×10-6～1.0×10-3 mol/L 浓度范围内，过氧化氢的氧化峰电流与其浓度呈良好的线性关系，检测限为3.1×10-7 mol/L，将该修饰电极用于医用过氧化氢的测定，相对平均偏差为1.2%，平均回收率为97.6%，结果满意。结论:该修饰电极响应快，灵敏度高，稳定性好，寿命长，适合于具有电活性生物分子的测定。 【关键词】碳纳米管学修饰电极伏安法过氧化氢 Abstract: Objective: To study a quantitative method for determination of hydrogen peroxide (H2O2) by voltammetry with multi-wall carbon nanotubes functionalized with carboxylic group modified electrode (CME). Method: The CME was fabricated, which based on the immobilization of multi-wall carbon nanotubes functionalized with carboxylic group. In a medium of KH2PO4-Na2HPO4 buffer solution with pH=7.0，the CME was

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

壳聚糖对碳纳米管的表面修饰

许爱民等：堇青石陶瓷表面Ca0.6Mg0.4Zr4(PO4)6涂层的显微结构及耐碱性· 163 ·第36卷第2期 壳聚糖对碳纳米管的表面修饰 刘爱红1,2，孙康宁1,2，王菲1,2，俞中平1,2 (1. 山东大学，液态结构及其遗传性教育部重点实验室；2. 山东省工程陶瓷重点实验室，济南 250061) 摘要：采用表面沉积交联法实现了壳聚糖对碳纳米管的表面修饰，并对所得的复合材料进行了相应的检测。结果表明：得到的复合材料中碳纳米管表面完全被壳聚糖所覆盖，管径变粗，并且由于壳聚糖覆盖层的静电排斥作用，使壳聚糖修饰后碳纳米管的团聚减少。 关键词：碳纳米管；壳聚糖；表面修饰 中图分类号：R318.08 文献标识码：A 文章编号：0454–5648(2008)02–0163–03 SURFACE MODIFICATION OF CARBON NANOTUBES WITH CHITOSAN LIU Aihong1,2，SUN Kangning1,2，WANG Fei1,2，YU Zhongping1,2 (1. Key Laboratory for Liquid Structure and Heredity of Materials of Education Ministry; 2. Engineering Ceramics Key Laboratory of Shandong Province, Shandong University, Jinan 250061, China) Abstract: Surface modification of carbon nanotubes (CNTs) with biopolymer chitosan was performed via a controlled surface depo-sition and crosslinking process. The characteristic of modified CNTs was measured The results show that the diameter of CNTs be-comes thicker because the surface of CNTs is covered with chitosan, and the glomeration of the CNTs decreases to improve the dis-persion of CNTs due to static electric repulsive action of chitosan coating. Key words: carbon nanotubes; chitosan; surface modification 近年来，碳纳米管(carbon nanotubes, CNTs)的研究热点转向生物医用材料方面，已在生物医学方面得到广泛应用。用CNTs可制备各种生物传感器，生物医学微电子器件的导线、开关、记忆元件等。[1–4] 由于CNTs的生物相容性较差，常需要对CNTs 进行表面修饰改性。用生物相容性好的天然高分子修饰碳纳米管，制备成CNTs/天然高分子复合材料，是改善碳纳米管生物相容性的一种重要方法。 壳聚糖(chitosan, CS)是甲壳素(chitin)脱去部分乙酰基后的产物，是一种常见的天然高分子，在生物材料的研究中得到了广泛的应用，其良好的生物相容性已经得到认可。[5] 通过壳聚糖对CNTs的表面修饰，有望改善CNTs的生物相容性，更有可能赋予CNTs某些生物学的性质，为扩大CNTs在生物医学领域的应用提供了一种途径。据此，采用表面沉积交联法，由壳聚糖修饰CNTs的表面，并对所得复合材料进行了检测。 1 实验 1.1 CNTs的纯化氧化预处理 实验所用原料为：多壁CNTs，深圳纳米港有限公司产，纯度95%(质量分数)以上；壳聚糖(食品级，脱乙酰度为95%)，济南海得贝海洋生物工程有限公司产；其他试剂均为分析纯试剂。 采用混酸液相氧化法对CNTs原料进行纯化氧化预处理。将2g CNTs加入120mL混酸溶液中(浓H2SO4与浓HNO3体积比为3:1)，超声分散2～3h，然后在室温磁力搅拌120h，进行氧化。通过0.22μm 的聚碳酸酯滤纸真空抽滤混合物，再由去离子水洗涤至pH值为7。处理后的CNTs在80℃真空干燥 收稿日期：2007–07–27。修改稿收到日期：2007–10–21。 基金项目：国家自然科学基金(50672051，30540061)；山东大学大学生科技创新基金资助项目。 第一作者：刘爱红(1981—)，女，博士研究生。 通讯作者：孙康宁(1955—)，男，教授。Received date:2007–07–27. Approved date: 2007–10–21. First author: LIU Aihong (1981–), female, postgraduate student for doctor degree. E-mail: aihong1981@https://www.wendangku.net/doc/1717952608.html, Correspondent author: SUN Kangning (1955–), male, professor. E-mail: sunkangning@https://www.wendangku.net/doc/1717952608.html, 第36卷第2期2008年2月 硅酸盐学报 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY Vol. 36，No. 2 February，2008

碳纳米管的性质性能及其应用前景

碳纳米管的性质性能其应用前景 The Properties and Applications of Carbon Nano-Tubes 张雅坤北京师范大学化学学院201411151935 摘要：从1991年被正式认识并命名至今，碳纳米管凭借其特殊的结构及异常的力学、电学和化学性能获得了材料、物理、电子及化学界的广泛关注。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入，其广阔的应用前景也不断地展现出来。本文主要对碳纳米管目前的性质性能及其应用前景进行了系统详细的介绍【8】。 关键词：碳纳米管、无机化学、性质性能、应用前景 一、综述 1.发展历史与研究进程 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（Lijima）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. Lijima等和D. S. 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，A. C. 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。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。但该猜测在后来被证实是错误的，碳纳米管无法用于储氢的主要问题有两个：一是假如作为容器进行储氢，则无法对其进行可控的封闭和开启；二是假如用于氢气吸附，则其吸附率不超过1%（质量分数）。 能否控制单壁碳纳米管的生长是近二十余年来一直困扰着碳纳米管研究领域科学家们的难题，能否找到控制方法也成为碳纳米管应用的瓶颈。2014年，这道世界性难题被北京大学李彦教授研究团队攻克，该团队在全球首次提出单壁碳纳米管生长规律的控制方法，研究成果已于2014年6月26日发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上，这是碳纳米管研究方面的又一大突破。 2.碳纳米管的制备方法 常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法（碳氢气体热解法）、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等。 2.1电弧放电法 电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电法生产的碳纤维中首次发现碳纳米管的。电弧放电法的具体过程是：将石墨电极臵于充满氦气或氩气的反应容器中，在两极之间激发出电弧，此时温度可以达到4000度左右。在这种条件下，石墨会蒸发，生成的产物有富勒烯（C60）、无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管。通过控制催化剂和容器中的氢气含量，可以

国产5nm碳纳米管研究新突破

国产5nm 碳纳米管研究新突破 北京大学信息科学技术学院彭练矛-张志勇课题组在碳 纳米管电子学领域进行了十多年的研究，发展了一整高性能碳纳米管CMOS 晶体管的无掺杂制备方法，通过控制电极功函数来控制晶体管的极性。集成电路发展的基本方式在于晶体管的尺寸缩减，从而性能和集成度，得到更快功能更复杂的芯片。目前主流CMOS 技术即将发展到10 纳米技术节点，后续发展将受到来自物理规律和制造成本的限制，很难继续提升，“摩尔定律”可能面临终结。20 多年来，科学界和产业界一直在探索各种新材料和新原理的晶体管技术，以望替代硅基CMOS 技术。但是到目前为止，并没有机构能够实现10 纳米的新型CMOS 器件，而且也没有新型器件能够在性能上真正超过最好的硅基CMOS 器件。碳纳米管被认为是构建亚10 纳米晶体管的理想材料，其原子量级的管径保证了器件具有优异的栅极静电控制能力，更容易克服短沟道效应；超高的载流子迁移率则保证器件具有更高的性能和更低的功耗。理论研究表明碳管器件相对于硅基器件来说具有5-10 倍的速度和功耗优势，有望满足后摩尔时代集成电路的发展需求。但是已实现的最小碳纳米管CMOS 器件仅停滞在20nm 栅长（2014 年IBM ），而且性能远远低于预期。 北京大学信息科学技术学院彭练矛-张志勇课题组在碳纳米

管电子学领域进行了十多年的研究，发展了一整高性能碳纳 米管 CMOS 晶体管的无掺杂制备方法，通过控制电极功函 数来控制晶体管的极性。 彭练矛教授（左）和张志勇教授 （右） 5nm 技术节点实现突破近年来， 该课题组通过优化器件结构 和制备工艺，首次实现了栅长为 10 纳米的碳纳米管顶栅 CMOS 场效应晶体管（对应于 5纳米技术节点），P 型和n 型器件的亚阈值摆幅（ subthreshold swing, SS ）均为 70 mV/DEC 。器件性能不仅远远超过已发表的所有碳纳米管器 件，并且更低的工作电压（0.4V ）下，P 型和n 型晶体管性 能均超过了目前最好的（ Intel 公司的 14 纳米节点）硅基 CMOS 器件在 0.7V 电压下工作的性能。 特别碳管 CMOS 晶 体管本征门延时达到了 0.062Ps ，相当于 14 纳米硅基 CMOS 器件（ 0.22Ps ）的 1/3 。图 1：10 纳米栅长碳纳米管 CMOS 器件。 A ： n 型和 P 型器件截面图和栅堆垛层截面图； P 型和 n 型碳管器件的转移曲线以及与硅基 CMOS 器件 （Intel, 14nm, 22nm ）的对比。D:碳管器件的本征门延时与 14nm 硅基 CMOS 对比。课题组进一步探索 5nm 栅长（对 应3 纳米技术节点）的碳管晶体管。采用常规结构制备的栅 长为 5 纳米的碳管晶体管容易遭受短沟道效应和源漏直接隧 穿电流影响，即使采用超薄的高 k 栅介质（等效氧化层厚度 0.8纳米），器件也不能有效地关断，SS 一般大于 课题组采用石墨烯作为碳管晶体管的源漏接触，有效地抑制B-C: 100mV/Dec 。

碳纳米管在电化学中的应用

碳纳米管在电化学中的应用 【摘要】对碳纳米管修饰电极的制备方法、应用以及碳纳米管修饰电极的发展趋势作比较全面的综述。 【关键词】碳纳米管；化学修饰电极 Application of the Carbon nanotube in electrochemistry Abstract The methods of preparation, applications and developing trends of carbon nanotube modified electrodes in the field of electrochemistry were reviewed. Key words Electrochemistry Carbon nanotube modified electrodes 碳纳米管，又名巴基管(buckytube)，是1991年由日本科学家饭岛澄男(Sumio Iijima)在高分辨透射电镜(HRTEM)下发现的一种针状的管形碳单质。它以特有的力学、电学和化学性质，以及独特的准一维管状分子结构和在未来高科技领域中所具有的潜在应用价值，迅速成为化学、物理及材料科学等领域的研究热点。目前，碳纳米管在理论计算、制备和纯化生长机理、光谱表征、物理化学性质以及在力学电学、化学和材料学等领域的应用研究方兴未艾，在一些方面已取得重大突破。碳纳米管(CNT)的发现，开辟碳家族的又一同素异形体和纳米材料研究的新领域。 由于CNT具有良好的导电性、催化活性和较大的比表面积，可使过电位大大降低及对部分氧化还原蛋白质能产生直接电子转移现象，因此被广泛用于修饰电极的研究。碳纳米管在作为电极用于化学反应时能促进电子转移。碳纳米管的电化学和电催化行为研究已有不少报道。 1碳纳米管的分类 CNT属于富勒碳系，管状无缝中空，具有完整的分子结构，由碳六元环构成的类石墨平面卷曲而成，其中每个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子发生完全键合，各单层管的顶端有五边形或七边形参与封闭。CNT的径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，具有较大的长径比。由单层石墨片卷积而成的称为单壁碳纳米管(SWNT)，制备时管径可控，一般在1~6 nm之间，当管径>6 nm后CNT 结构不稳定，易塌陷。SWNT轴向长度可达几百纳米甚至几个微米。由两层以上柱状碳管同轴卷积而成的称为多壁碳纳米管(MWNT)，层间距约为0.34 nm。

碳纳米管材料结构与性能的研究

碳纳米管材料结构与性能的研究 中文摘要 英文摘要 关键词 绪论 研究背景 碳纳米管是20世纪90年代发现的一种碳材料的一维形式，具有优良的物理化学性能。纳米材料由于其尺寸处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等特性，展现出独特的电学、光学和机械特性，碳纳米管在物理、化学、信息技术、环境科学、材料科学、能源技术、生命及医学科学等领域均具有广阔的应用前景。正是由于碳纳米管这种潜在的价值和广泛的应用前景，使有关碳纳米管材料的研究成为最受关注的研究领域之一。纳米材料这一概念形成以后，世界各国都给予了极大关注，它所具有的独特性质，给物理、化学、材料、生物、医药等领域的研究带来了新的机遇。

碳纳米管材料的分类 碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此按照石墨烯片的层数可分为：单壁碳纳米管（或称单层碳纳米管，Single-walled Carbon nanotubes, SWCNTs）和多壁碳纳米管（或多层碳纳米管，Multi-walled Carbon nanotubes, MWCNTs）。 碳纳米管依其结构特征可以分为三种类型：扶手椅形纳米管（armchair form），锯齿形纳米管（zigzag form）和手性纳米管（chiral form）。碳纳米管的手性指数（n，m）与其螺旋度和电学性能等有直接关系，习惯上n>=m。当n=m时，碳纳米管称为扶手椅形纳米管，手性角（螺旋角）为30o；当n>m=0时，碳纳米管称为锯齿形纳米管，手性角（螺旋角）为0o；当n>m≠0时，将其称为手性碳纳米管。根据碳纳米管的导电性质可以将其分为金属型碳纳米管和半导体型碳纳米管：当n-m=3k(k为整数)时，碳纳米管为金属型；当n-m=3k ±1，碳纳米管为半导体型。 按照是否含有管壁缺陷可以分为：完善碳纳米管和含缺陷碳纳米管。 按照外形的均匀性和整体形态，可分为：直管型，碳纳米管束，Y型，蛇型等。 碳纳米管的制备

碳纳米材料概述

碳纳米材料概述 名字：唐海学号：1020560120 前言 纳米碳材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料。分散相既可以由碳原子组成，也可以由异种原子（非碳原子）组成，甚至可以是纳米孔。纳米碳材料主要包括三种类型：碳纳米管，碳纳米纤维，纳米碳球。 近年来，碳纳米技术的研究相当活跃，多种多样的纳米碳结晶、针状、棒状、桶状等层出不穷。2000年德国和美国科学家还制备出由20个碳原子组成的空心笼状分子。根据理论推算，包含20个碳原子仅是由正五边形构成的，C60分子是富勒烯式结构分子中最小的一种，考虑到原于间结合的角度、力度等问题，人们一直认为这类分子很不稳定，难以存在。德、美科学家制出了C60笼状分子为材料学领域解决了一个重要的研究课题。碳纳米材料中纳米碳纤维、纳米碳管等新型碳材料具有许多优异的物理和化学特性，被广泛地应用于诸多领域。 分类 (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、多壁碳纳米管和双壁碳纳米管。 (2)碳纤维分为丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维两种。碳纤维质轻于铝而强力高于钢，它的比重是铁的1／4，强力是铁的10倍，除了有高超的强力外，其化学性能非常稳定，耐腐蚀性高，同时耐高温和低温、耐辐射、消臭。碳纤维可以使用在各种不同的领域，由于制造成本高，大量用于航空器材、运动器械、建筑工程的结构材料。美国伊利诺伊大学发明了一种廉价碳纤维，有高强力的韧性，同时有很强劲的吸附能力、能过滤有毒的气体和有害的生物，可用于制造防毒衣、面罩、手套和防护性服装等。 (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)未完全石墨化的纳米碳球，直径在50nm 一1μm之间；(3)碳微珠，直径在11μm以上。另外，根据碳球的结构形貌可分为空心碳球、实心硬碳球、多孔碳球、核壳结构碳球和胶状碳球等。 碳纳米材料的性质及相关应用 1.力学 (1)超强纤维碳纳米管具有弹性高、密度低、绝热性好、强度高、隐身性优越、红外吸收性好、疏水性强等优点，它可以与普通纤维混纺来制成防弹保暖隐身的军用装备。 (2)材料增强体用于增强金属、陶瓷和有机材料等。并且结合碳纳米管的导热导电特性，能够制备自愈合材料。

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

碳纳米管的研究及展望

碳纳米管的研究及展望 (1) 碳纳米管的研究及展望 碳纳米管（CNTS)[1]作为一种一维纳米材料，重量较轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能[2]。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。碳纳米管，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。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约0.34纳米，直径一般为2~20纳米。并根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分为锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。其中螺旋型的碳纳米管具有手性，而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。 碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此如果按照石墨烯片的层数可分为：单壁碳纳米管（或称单层碳纳米管）和多壁碳纳米管（或多层碳纳米管），多壁管在形成的时候，层与层之间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[3]。与多壁管相比，单壁管直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。单壁管典型直径在0.6-2纳米，多壁管最内层可达0.4纳米，最粗可达数百纳米，但典型管径为2-100纳米[4]。 一碳纳米管的性能 碳纳米管因其小尺寸效应和独特的分子结构，具有优异的物理化学性能。一维分子材料和六边形完美连接结构使碳纳米管具有质量轻、强度高的特点；较大长径比及sp2、sp3杂化几率不同使碳纳米管具有优良的弹性；直径、螺旋角以及层间作用力等存在的差异使碳纳米管兼具导体和半导体的特性；独特的螺旋状分子结构使碳纳米管构筑的吸波材料具有比一般吸收材料高得多的吸收率。此外，碳纳米管还具有独特的光学性能，良好的热传导性，极高的耐酸、碱性和热稳定性[5]。 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。 二碳纳米管的应用前景 由于碳纳米管独特的结构，使其具有很好的电学性能和力学性能，因此，被广泛应用于研制碳纳米管基电子器件、碳纳米管的纳米复合材料、表面强化等领域[6]。 1电学应用领域 由于碳纳米管具有很好的电学性能，特别是经高温退火处理消除部分缺陷后的碳