碳纳米管及其应用
引言
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,管直径一般为几纳米到几十纳米,管壁厚度仅为几纳米,长度可达数微米。由于拥有潜 在的优越性能,碳纳米管无论在物理、化学还是在材料科学领域都将有重大发展前景。比如在材料科学领域,碳纳米管的长度是直径的几千倍,被称为“超级纤 维”,其性质随直径和螺旋角的不同有明显变化。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,使碳纳米管的研究进展随之加快,并在制 备及应用方面取得了突破性进展。
一、 碳纳米管的性能
1、碳纳米管的力学性能
理论和实验研究表明碳纳米管具有极高的强度,理论计算值为钢的100倍,但其密度仅为钢的1/6。Treacy等人在透射电子显微镜中测定热致振动的振 幅,结果表明,碳纳米管具有异常高的扬氏模量,平均值为118Tpa。同时碳纳米管还具有极高的韧性,十分柔软,它被认为是未来的“超级纤维”。
2、碳纳米管的发射性能
由于碳纳米管具有纳米尺度的尖端,有利于电子的发射,科学家们预言并证实了碳纳米管具有极好的场致电子发射效应。单壁碳纳米管的直径通常仅有 1～2nm,长度可以达到几十至上百微米,长径比很大;而且其结构完整性好,导电性很好,化学性能稳定,具备了高性能场发射材料的基本结构特征。但单壁碳 纳米管的制备比较困难,迄今为止还没有单壁碳纳米管阵列制备成功的报道。因此,目前在碳纳米管场致发射性能研究领域中以多壁碳纳米管的研究较为普遍和活 跃。
3、碳纳米管的电磁性能
碳纳米管不同的直径和螺旋度可以使其呈现金属导电性或半 导体特性。Ebbesen等人直接测量了多壁碳纳米管的电导,证明了碳纳米管金属性和半导体性的存在。碳纳米管具有独特的导电性、很高的热稳定性和本征迁 移率,比表面积大,微孔集中在一定范围内,满足理想的超级电容器电极材料的要求。Niu等人将以催化裂解法制备的直径集中于8nm的多壁碳纳米管制成电 极,以38%H2SO4作电解液,在1～100Hz范围内的测定结果表明,其比电容高达102F/g。关于碳纳米管的磁性和磁化率也有部分报道,其磁化率 比石墨、富勒烯、活性炭、碳黑等其它材料高。
4、碳纳米管的吸附性能
由于碳纳米管具 有较大的比表面积、特殊的管道结构以及多壁碳纳米管之间的类石墨层隙,使其成为最有潜力的储氢材料,在燃料电池方面有着重要的作用。另外碳纳米管也是一种 超强的二恶烷吸附剂,比活性碳高10倍,可用来除去水中的二恶烷。碳纳米管的管状结构使其具有很强的毛细性能,利用该性能可以将金属或氧化物填充到开口的 碳纳米管模板中制成一维的纳米材料,如纳米金属导线,这些低维的材料以及技术可能使微电子器件升级进入纳米时代。
5、碳纳米管的化学性能
在催化研究方面,碳纳米管已被用于分散和稳定纳米级的金属小颗粒。由碳纳米管制得的催化剂可以改善多相催化的选择性。
第三版 碳纳米管的制备方法
自1991年在电弧放电法合成富勒烯的阴极沉积物中发现碳纳米管以来,人们已经成功的研制了多种碳纳米管的制备方法,不同方法制备的碳纳米管往往在结构和性能方面存在较大差别。下面重点讲述了几种常见的制备方法。
（1）电弧放电法
电弧放电法是最传统的制备方法,其工艺原理是在真空中充以一定量的惰性气体,在两石墨电极之间放电,在阴极获得碳纳米管。此法可获得石墨化程度高、缺陷少的无序碳纳米管,但纯度低、分离困难。
（2）激光烧蚀法
激光烧蚀法的基本原理是: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。该法中激光可以定量的维持 石墨烧蚀和蒸发,适合于单壁碳纳米管的制备。此外该方法可以实现定向生长和连续生产,但反应设备成本高,产率低,不宜于大规模生产,所以商业化前景小。
（3）碳氢化合物催化裂解法
碳纳米管最终要走向大规模的应用,因此碳纳米管的批量生产是人们要解决的首要问题,碳氢化合物催化裂解法是目前公认的最具有商业化前景的方法。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。
第四版 碳纳米管的纯化
碳纳米管原产品中,除含有催化剂(如Fe,Co,Ni等)外,在制备过程中还同时伴随着非晶碳(如无定形碳,碳纳米颗粒,石墨碎片,碳纤维,SiO2颗 粒等)的生成.这些杂质严重影响了碳纳米管优异性能的发挥,因此,必须对碳纳米管进行提纯处理.目前常用的提纯方法主要有液相氧化法、气相氧化法和一些其 他特殊方法.
液相氧化法是将碳纳米管放在液相的氧化剂中加热氧化,去除化学性质相对不稳定的碳原子,经多次离心分离、清洗和烘干后,得 到纯净的碳纳米管.纯化后的碳纳米管其纯度和分散性都比较好.该反应条件温和,容易控制,所以比较常用.使用的氧化剂主要包括浓硝酸、浓硫酸、高锰酸钾和 重铬酸钾等.
气相氧化法是利用氧化剂首先侵蚀化学活性比较高的不饱和碳原子的机理,通过精确控制纯化温度、纯化时间及气体流速等参数来 达到提纯的目的.根据氧化气氛的不同,气相氧化法可以分为氧气氧化法、空气氧化法和二氧化碳氧化法.气相氧化法反应条件容易控制,不需要特殊的实验装置, 碳纳米管的开口率和纯化处理速度都较快,因此是常用的一种纯化方法.
此外,还有基于试样分子尺寸和形状不同来实现分离的过滤法和空间排斥色谱法(凝胶渗透色谱法),以及基于物质离心力不同来实现分离的离心法等方法.其中过滤法虽简捷、高效且不损坏产品,但成本较高,难以广泛使用.
二、 碳纳米管的应用
碳纳米管因其独特的力学、电学及化学等特性,已成为全世界的研究热点,在场致发射、纳米电子器件、纳米机械、复合增强材料、储氢材料等众多领域取得了广泛应用。
1、场致发射材料
碳纳米管的尖端具有纳米尺度的曲率半径,在相对较低的电压下就能够发射大量的电子,而且还具有极好的化学稳定性和机械强度,是一种优良的场致发射材料,可用于制作平面显示装置,取代体积大、质量重、低效的阴极电子管。
2、纳米电子器件
碳纳米管独特的电学性质适用于制备纳米电子器件。2000年4月,美国国际商用机器公司(IBM)的研究人员成功制造出世界上第一个碳纳米管晶体管阵 列,所使用的碳纳米管是由碳原子排列而成的微小圆柱体,是现在硅晶体管的1/500,而且无需对它们逐个进行处理。这种三电极的单分子晶体管可使集成电路 的尺寸降低2个数量级以上,它的发现是分子电子学的一个重大进步。
3、纳米机械
美国 已经制成了纳米秤。纳米秤与悬挂的钟摆相似,通过测量振动频率,可以测出粘结在悬壁梁一端的微小颗粒的质量,它是目前世界上最敏感的和最小的量器。有专家 认为,此纳米秤将可以用来衡量大生物分子的质量和生物颗粒,例如病毒,还可能导致一种纳米质谱仪的产生。碳纳米管作为探针型电子显微镜等的探针,是碳纳米 管最接近商业化的应用之一。
4、碳纳米管复合材料
碳纳米管复合材料是碳纳米管应用研 究的一个重要方向。碳纳米管复合材料不仅可以利用其力学性能来制备增强复合材料,而且还可以利用其导电特性等其他性能来制备功能复合材料。另外,将经化学 修饰的碳纳米管衍生物与聚合物共混纺制碳纳米管复合纤维,其不仅具有导电或抗静电性,还具有高的强度和模量,该类复合纤维可望应用于轻便且刀枪不入的装甲 和防弹背心或服装材料。
5、储氢材料
碳纳米管由于具有独特的纳米级尺寸、中空结构和更大的比表面积等特点,使其成为最有潜力的储氢材料,成为当前的研究热点。
6、锂离子电池电极材料
目前,应用意义重大的锂离子电池正朝高能量密度方向发展,这就必须要寻找一种合适的电极材料,使得电池具有足够高的锂嵌入量和很好的锂脱嵌可逆性,以保 证电池具有高电压、大容量和长循环寿命。碳纳米管的特殊结构使它可能成为一种优良的锂离子电池负极材料。其大的层间距使锂离子更容易嵌入脱出,筒状结构在 多次充放电循环后不会塌陷,可以大大提高锂离子电池的性能和寿命。
7、超级电容器电极材料
超级电容器在移动通讯、信息技术、电动汽车、航空航天和国防科技等方面具有极其重要和广阔的应用。现在科学家们正在努力寻找一种电极材料能使得复合电容器同时具有较高的能量和功率密度。很多学者用碳纳米管取代活性碳作为电极材料,已经取得了一些研究成果。
8、催化剂材料
碳纳米管由于量子效应使其具有特异性催化和光催化等性质,使人们对其在催化化学中的应用产生极大兴趣。由于碳纳米管具有独特的电子、孔腔结构和吸附性能 等,在催化方面主要用作催化剂载体,在加氢、脱氢和择形催化反应中显示出很大的应用潜力。碳纳米管一旦在催化化学上获得应用,就能极大地提高反应的活性和 选择性,有望产生巨大的经济效益。
参考文献
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