碳纳米管材料的研究现状及发展展望[英文]

碳纳米管材料的研究现状及发展展望[英文]
碳纳米管材料的研究现状及发展展望[英文]

Research status and development prospect of carbon nanotubes Abstract:

Carbon nanotubes due to their unique structure and excellent physical and chemical properties, and has wide application prospect and huge commercial value. This paper reviewed the methods for preparing carbon nanotubes, structural properties, application and development trend of carbon nanotubes.

Keywords: carbon nanotubes; preparation; antistatic; stealth; radar absorbing coating

Nanometer material because of its size in the transition region junction of atomic clusters and macroscopic objects, with the quantum size effect, small size effect, surface effect and the macroscopic quantum tunnel effect and other characteristics, exhibit many unique physical and chemical properties. Nanometer material nineteen eighties early after the formation of the concept, the world have paid great attention. It has unique properties, physical, chemical, material research, biology, medicine and other fields with meters of new opportunities.

1, carbon nanotube preparation, structure and properties

1.1, the preparation of carbon nanotubes

1.1. 1 arc method

Graphite arc method is carbon nanotube synthesis method is the most typical of the earliest. The principle of arc chamber filled with inert gas protection, two rod of graphite electrode near, pull up the arc, and then opened, in order to maintain stable arc (1). The relatively high temperature cathode anode discharge process, so the graphite anode is consumed continuously, at the same time deposit containing carbon nanotubes product [2] on graphite cathode. This method has the characteristics of simple and fast, carbon nanotubes can maximize the graphitization, tube less defects. But there are disadvantages are: arc discharge violently, difficult to control the process and product, composition of carbon nanoparticles, amorphous carbon or graphite debris, impurities, so it is difficult to separate. After years of study, researchers have improved on the method, such as Takizawa et al. Discharge by arc, by changing the catalyst of nickel and yttrium ratio, the diameter distribution control product objective. Colbert[3] et al. General cathode (Boulder graphite electrode) into a cooled copper electrode and graphite electrode, in the above, morphology and structure. This product, the arc discharge method have rejuvenated.

1.1.2 catalytic pyrolysis method

Catalytic pyrolysis method, chemical vapor deposition, by hydrocarbons or carbon oxide cracking in catalytic. The basic principle of the organic gas (such as acetylene, ethylene) mixed with a certain proportion of nitrogen as the suppression of gas, prior to removing the oxygen into the quartz tube, at a certain temperature, the formation of carbon on the catalyst surface cracking, carbon source through the catalyst diffusion in the catalyst surface, after long carbon nanotubes, at the same time pushing forward [4] small catalyst particles. Until the catalyst particles are coated with a layer of graphite, carbon nanotube growth end. The advantages of this method are: easy to control the reaction process, simple equipment, low cost of raw materials, large-scale production, higher yield. Disadvantages are: low reaction temperature, carbon nanotube layer number, the degree of graphitization is poor, and there are many crystal defects, mechanical properties and physical and chemical properties of carbon nanotubes may have adverse effects.

1.1.3 ion or laser evaporation method

The 1996 Nobel Prize for chemistry, carbon nanotubes were synthesized to obtain one of the Smally team for the first time using laser evaporation method. Since then, laser evaporation method is an effective method for preparing single-walled carbon nanotubes of [5]. This method in Ar atmosphere, with the double pulsed laser evaporation containing Fe

/ Ni (Co / Ni) carbon target preparation method of a diameter distribution van lost in single-walled carbon nanotubes in 0.81 - 1.51 nnl. The preparation of carbon nanotube purity reached to 70% ~ 90%, basic does not require purification, but its sophisticated equipment, high energy consumption, high investment cost.

1.1.4 Other synthesis method

In recent years, researchers in the traditional preparation technology and improvement, explore and study the preparation technology of a new series of carbon nanotubes, including hydrothermal method, flame method, supercritical fluid technology, water arc method, solid-phase pyrolysis method, energy method. A typical example: in 1996 Yamamoto et al. In Taka Shinzora (5.33 ×10-3Pa) method by argon ion beam irradiation on amorphous carbon is obtained by pure sodiumCarbon nanotube. Chemozatonskii et al by electron beam evaporation coating on Si substrate preparation of graphite carbon regularly arranged pipe. Feldman et al. Preparation of diameter of 30 ~multi-walled carbon 50 nm tube by using the method of electrolysis of alkali metal halides. Carbon nanotubes in the process of industrialization, Japan and the United States of America has been in a leading position. At present, carbon nanotube production technology in China also has certain advantages in the world, such as Shenzhen nano port public scraping with

boiling production technology and device of catalytic pyrolysis method with fully independent intellectual property rights, Tsinghua University and the Chinese Academy of Sciences and other scientific research institutes have formed a certain scale of production conditions.

1.2, the structure of carbon nanotubes

Carbon nanotubes are seamless, hollow nanotubes by monolayer or multilayer graphene sheet around the center in a certain angle (made up of atomic arrangement structure shown in Figure 1.).

According to the different number of containing graphite, carbon nanotubes can be divided into single wall carbon nanotubes (Single - walled nanotubes, SWNTs) and multi-walled carbon nanotubes (Multi - walled nanotubes, MWNTs). Among them, SWNTs is composed of a layer of graphite sheet; MWNTs made of layers of graphene sheet, shape similarity and coaxial cable.

1.3, the performance of carbon nanotubes

Carbon nanotubes because of the molecular structure of the small size effect and unique, has excellent physical and chemical properties. One-dimensional molecular materials and hexagonal perfect connection structure make CNTs have the characteristics of light weight, high strength; large length to diameter ratio of SP2, SP3 hybrid probability of different carbon nanotubes have good elasticity; differences in diameter, spiral angle and the interaction between layers of the carbon nano tube has the characteristics of both conductors and semiconductors; absorbing materials spiral unique molecular structure of carbon nanotube structures than the average absorption material has much higher absorption rate. In addition, carbon nanotubes have unique optical properties, good thermal conductivity, acid, alkaline and thermal stability of high.

2, the application of carbon nanotubes

Because of the unique structure of CNTs, which has electrical properties and mechanical properties, so it is widely used in the development of CNTs, electronic component, CNTs nano composite material, surface strengthening etc..

2.1, electrical applications

Because CNTs has good electrical properties, especially after high temperature anneal eliminate defects after CNTs, conductivity is higher,

the application of CNTs https://www.360docs.net/doc/2618721762.html,Ts in the electronic field itself has the end structure characteristics of small radius of curvature, so instead of molybdenum needle for field emission electrode, with excitation voltage is low, and has self repair function, can greatly improve the efficiency and function of visual display system. Through the control of the production process, the Pentagon heptagon carbon / carbon ring in the ring CNTs concentrated in the central pipe body, conductive properties can change the CNTs, which has characteristics of semiconductor, can be used for the production of CNTs electronic switch [6] and CNTs diode. 2.2, the field of composite materials

Carbon nanotubes with will be more conducive to play [7] high strength, low thermal expansion, good electric conductivity and thermal conductivity and wear properties of the composite material. Carbon Nanotubes reinforced copper matrix composite materials with better properties of antifriction and wear resistance, wear process of the composites containing the running-in stage and steady wear stage, in the steady wear stage oxidation wear occurs mainly, simultaneously also has the abrasive wear; carbon nanotube volume fraction is between 12% and 15%, the better the lubrication and inhibition of substrate oxidation effect of composite material, so the friction and wear properties of optimal [8].

Surface chemical nickel plating

2.3, carbon nanotubes

Since the carbon nanotube itself does not have a catalytic surface, can not direct nickel plating on the surface, it is bound to the surface treatment, the purified carbon nanotubes (100K) sensitization and activation, in order to improve the carbon nanotube surface activity. After the pretreatment of carbon nanotubes has good surface activity, can be directly carried out chemical nickel plating in alkaline conditions, using nickel sulfate as main component of plating solution, potassium citrate (K3C6H5O7) as a complexing agent, sodium hypophosphite (NaH2PO2) as a reducing agent for chemical nickel plating on the surface of carbon nanotubes [9]. The Tsinghua University will carbon nanotubes for nodular cast iron laser surface cladding made some surface strengthening effect.

2.4, carbon nanotubes on MWPCVD process to enhance diamond nucleation

For matrix MWPCVD process (silicon) through the surface of carbon nanotubes could obtain high diamond nucleation density, SP3 bonded carbon nanotube has promoted the diamond nucleation of MWPCVD, at the same time in the deposition process improves the surface carbon concentration so as to accelerate the growth process of diamond (film). The enhanced treatment of diamond Tong nuclear also

has no damage to the surface of the matrix, can use quartz bell jar type MWPCVD equipment conditions, and simple, and easy [10].

3, the latest domestic and foreign research situation and Prospect At present, countries in the experimental study of carbon nanotube be just unfolding, and have made some achievements, the United States invented the nanometer scale, Japan made the platinum filled carbon nanotubes, Germany prepared LNM diameter carbon nanotubes. Our country individual achievements while walking in the forefront of the world, such as the synthesis of hydrogen storage in carbon nanotubes, the longest in the world of high quality carbon nanotubes, but the overall level and the United States and Japan in the field of nano science and technology is compared, there is still a big gap between.

Countries facing two common problems, so that the carbon nanotubes are not truly industrial application. How to realize the continuous industrial production of high quality carbon nanotubes. Preparation of carbon nanotubes status is roughly: multi-walled carbon nanotubes can be mass production, single wall carbon nanotubes most in the laboratory research stage, some preparation methods of carbon nanotubes growth mechanism is not clear, the structure of carbon nanotubes (diameter, length, helicity, wall thickness, pipe surface graphite crystallinity etc.) can not be arbitrary regulation and control,

influencing factors on yield, quality and yield of carbon nanotubes too much (such as the size of the catalyst particles, carbon sources, temperature, mixture gas species and ratio), the prepared carbon nanotube has disadvantages of high yield, low impurities, there is no method purification of carbon nanotubes and efficient. ② to more in-depth study of the problem of the application of carbon nanotubes. For example, at normal temperature and pressure, how to parse the hydrogen and accelerate the hydrogen storage speed. How to improve the stability and sensitivity of adsorption pressure adsorption capacity of carbon nanotubes. Moreover, how to prepare the performance more carbon nanotubes composite materials with excellent properties can be expected or. To solve these common problems, requires researchers breakthroughs in key technologies, the further research and development of new, low cost, suitable for mass production of carbon nanotube technology, to strengthen the study on growth phenomena and mechanism by modeling and simulation; in-depth study of its application to continue on the other hand, the carbon nanotubes with various fields together give full play to its own characteristics, excellent.

In addition, the recent carbon nanotubes and the emergence of a new research direction, namely the wettability of carbon nanotube films, many scholars have made a lot of research on its wettability. Jiang [11] lithography and plasma etching technique combined with special

morphology, silicon substrate were prepared, and the chemical vapor deposition method with three-dimensional anisotropic microstructure array carbon nanotube films deposited on top. Research shows that, without changing the chemical composition of the surface film case, simply changing the structure parameters, the film can change from hydrophilic to hydrophobic, this phenomenon is caused by the coexistence of horizontal and vertical carbon nanotube array structure is three-dimensional anisotropic microstructure. Provide the hydrophobic contribution of carbon nanotube array longitudinal, and provides a hydrophilic contribution of carbon nanotube array lateral, and has spread to water. The horizontal and vertical carbon nanotube array Column combination of change in wettability properties of the film special. Lau [12] PECVD method is used to obtain the alignment growth of carbon nanotube forests, and then through the method of HF - CVD PTFE to modify the surface, the stability of the superhydrophobic surface, droplet can be above the free jump until detachment. Li [13] with phthalocyanine complexes as raw material, preparation method by pyrolysis of carbon nanotube films were prepared with arrays, a uniform length and diameter of the research shows that, without the array of carbon nanotubes film processing is super hydrophobic and lipophilic, after fluoride modified (FAS) after carbon nanotube films exhibit properties both hydrophobic and oleophobic nano structure, it is caused by the presence of

super-hydrophobic properties of the surface. This finding provides new ideas for the interface of hydrophobic and oleophobic surface / materials.

We should see, more carbon nanotube defects at present have been, and not easy to disperse, which greatly limits the properties and applications of carbon nanotubes. Research on the preparation of carbon nanotubes method is particularly important. In addition, the measurement method of nanometer size must further strengthen. In short, with the deepening of research of carbon nanotubes and the rapid development of nanotechnology, nanometer carbon materials will have a major impact on the world of science and economy.

Reference

[1]G.B.Adams, O.F.Sankey, J.B.Page, et, al.[J].Science, 1992256:1792

[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, 1997388:756

[3]Colbert D T, Zhang J, McClure S M, et al and sintering of fullere. Growth nanotubes[J].Science, 1994266:1218

[4] Zhu Shaowen, Jia Zhijie, Li Zhongze, et al. Carbon nanotubes and application prospect of [J] science and technology review, 1999, 12:7 9

[5]M.J.Yacaman, M.M.Yoshida, L.Rendon.Catalytic growth of carbon microtubules with fullerene structure, [J].Appl.Phys.Lett., 1993,62:202-204

[6] Liang Yong, ke-tao Zhan. Carbon nanotubes research development of [J]. powder technology, 1998 (4): 68-73.

[7]Zhang Xiong, Wenqing.ED Exam ination of Coil Carbon Nanotubes[J].Journal of Zhejiang Agricultural University, 1998 (4): 82~87.

[8] Dong Shurong Tu Jiangping. Mechanical properties and physical properties of copper matrix composites reinforced with carbon nanotubes [J]. Chinese Journal of materials research, 2000 (1):75 ~ 79

[9] Kong Fanzhi, Xiong Wenqing. The carbon nanotube surface chemical plating [J]. Journal of Hangzhou Insitute of Electronic and Technology, 2000 (3): 63-66.

[10] carbon nanotubes on MWPCVD enhanced [J]. new technology and new process of diamond nucleation, 2000 (6): 56-59.

[11]COCHON J L, GAVILLET J, CHAPELLE D L, et al.Acontinuous wave CO2 laser reactor for nanotubes synthesis[C].France:chatillon 92322

[12]ALVAREZ L, GUILLARD T, OLALED G, et https://www.360docs.net/doc/2618721762.html,rge scale solar production of fullerenes and carbon nonatubes[J].Synth Met, 1999103 (1-3): 2476-2477.

[13] Sishen Xie, Li Wenzhi, Wang Chaoying, et al. The preparation of mesoporous materials of carbon nanotube morphology, structure and Raman scattering studies (J). Science in China (series A), 1997, 27 (7): 631-635

碳纳米管吸波材料的研究现状与展望

3海南省自然基金(80628)资助;海南大学科研基金资助项目(Kyjj0419) 王生浩:男,1984年生,研究方向为吸波材料 文峰:通讯作者,男,博士,副教授 E 2mail :fwen323@1631com 碳纳米管吸波材料的研究现状与展望3 王生浩,文 峰,李 志,郝万军,曹 阳 (热带生物资源教育部重点实验室;海南大学理工学院材料科学系,海口570228) 摘要 碳纳米管因其独特的物理和化学性能10多年来一直备受关注,已有研究将其运用于军事科技领域,如 吸波材料,但目前国内关于此类研究的报道还不多。较为全面地总结了近年来国内外对碳纳米管作为吸波材料的研究成果及其目前的研究现状,即简述碳纳米管的吸波机理;详细介绍碳纳米管薄膜、活性碳纳米管、磁性金属(合金)/碳纳米管、碳纳米管/聚合物基复合吸波材料的研究现状;展望未来吸波材料的发展方向。 关键词 碳纳米管 吸波材料 吸波性能 复合 The R esearch Status and Prospect of Electromagnetic W ave 2 absorbing C arbon N anotubes WAN G Shenghao ,WEN Feng ,L I Zhi ,HAO Wanjun ,CAO Yang (Key Laboratory of Tropical Biological Resources of Chinese Education Ministry ,Department of Materids Science , School of Science and Engineering ,Hainan University ,Haikou 570228) Abstract Carbon nanotubes (CN Ts )have been given great attention due to its unique physical and chemical properties.There are some researches about CN Ts which have been applied in military science and technology ,for ex 2ample as electromagnetic wave absorbing materials (EAM ),but few papers reports this kind of research.In this pa 2per ,the research results and present status of CN Ts as EAM are summarized in general by three parts.①the wave ab 2sorbing mechanism of the CN Ts ,②the present research status of the materials ,including thin film of CN Ts ,activated CN Ts ,metal 2coated CN Ts ,and CN Ts/Polymer composite EAM ,③the f uture prospect of EAM. K ey w ords carbon nanotubes (CN Ts ),electromagnetic wave absorbing materials (EAM ),electromagnetic wave absorbing properties ,composite   0 引言 随着电子技术的发展,电磁辐射成为新的社会公害[1],尤其是射频电磁波和微波辐射已经成为又一大环境污染。电磁辐射不仅会干扰电子仪器、设备的正常工作[2~4],而且还会影响人类的身体健康[5~8]。军事上,随着探测技术的发展,在战争中实现目标隐身对提高武器系统的生存和突防打击能力有着深刻的意义[9~11]。解决电磁辐射污染和实现目标隐身的最有效方法是采用吸波材料(Electromagnetic Wave Absorbing Materials ,EAM )。作为环境科学与军事尖端技术的组成部分,电磁波吸收材料的研究已成为一个重要的科研领域。吸波材料要求吸收强、频带宽、比重小、厚度薄、环境稳定性好,而传统的吸波材料很难满足上述综合要求,出现的问题是吸收频带单一、比重大、吸收不强等,纳米技术的发展为吸波材料开拓了一个新的研究领域。纳米吸波材料具有吸收强、频带兼容性好、材料轻、性能稳定等优点,是一类新型的吸波材料。 自1991年日本N EC 公司的电镜专家S.Iijima 发现碳纳米管(Carbon Nanotubes ,CN Ts )[12]以来,CN Ts 以其独特的结构、优良的物理、化学性质和机械性能引起了世界各国科学家的广泛关注,成为物理、化学和材料科学领域的研究重点和热点。近 年来对碳纳米管复合材料的合成和应用研究是纳米科技领域的 热点之一,但有关该类材料应用于电磁波吸收材料的研究报道还很少。有关微波与吸波材料相互作用的基础理论文献[13]已有较详细的论述,本文不再赘述。本文对目前碳纳米管吸波材料的研究现状进行了论述,并针对目前存在的问题提出了相应的解决思路。 1 碳纳米管的吸波机理 碳纳米管是一维纳米材料,纳米粒子的小尺寸效应、量子尺寸效应和表面界面效应等使其具有奇特的光、电、磁、声等性质,从而使得碳纳米管的性质不同于一般的宏观材料。纳米粒子尺度(1~100nm )远小于红外线及雷达波波长,因此纳米微粒材料对红外及微波的吸收性较常规材料强。随着尺寸的减小,纳米微粒材料具有比常规粗粉体材料大3~4个数量级的高比表面积,随着表面原子比例的升高,晶体缺陷增加、悬挂键增多,容易形成界面电极极化,高的比表面积又会造成多重散射,这是纳米材料具有吸波能力的重要机理。在原子排列较庞大的界面中及具有晶体畸变、空位等缺陷的纳米粒子内部形成的固有电矩,在微波场的作用下,由于取向极化,提高了纳米粒子的介电损耗。量子尺寸效应使纳米粒子的电子能级由连续的能谱变为分裂的

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

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

碳纳米管材料的研究现状及发展展望[英文]

Research status and development prospect of carbon nanotubes Abstract: Carbon nanotubes due to their unique structure and excellent physical and chemical properties, and has wide application prospect and huge commercial value. This paper reviewed the methods for preparing carbon nanotubes, structural properties, application and development trend of carbon nanotubes. Keywords: carbon nanotubes; preparation; antistatic; stealth; radar absorbing coating Nanometer material because of its size in the transition region junction of atomic clusters and macroscopic objects, with the quantum size effect, small size effect, surface effect and the macroscopic quantum tunnel effect and other characteristics, exhibit many unique physical and chemical properties. Nanometer material nineteen eighties early after the formation of the concept, the world have paid great attention. It has unique properties, physical, chemical, material research, biology, medicine and other fields with meters of new opportunities. 1, carbon nanotube preparation, structure and properties 1.1, the preparation of carbon nanotubes

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。

碳纳米管纳米复合材料的分析现状及问题

碳纳米管纳米复合材料的分析现状及问题 [摘要]文章介绍了碳纳米管的结构和性能,综述了碳纳米管/聚合物复合材料的制备方法及其聚合物结构复合材料和聚合物功能复合材料中的应用研究情况,在此基础上,分析了碳纳米管在复合材料制备过程中的纯化、分散、损伤和界面等问题,并展望了今后碳纳米管/聚合物复合材料的发展趋势。 [关键词]碳纳米管;复合材料;结构;性能 自从1991 年日本筑波NEC 实验室的物理学家饭岛澄男(Sumio Iijima)[1]首次报道了碳纳米管以来,其独特的原子结构与性能引起了科学工作者的极大兴趣。按石墨层数的不同碳纳米管可以分为单壁碳纳米管(SWNTs) 和多壁碳纳米管(MWNTs)。碳纳米管具有极高的比表面积、力学性能(碳纳米管理论上的轴向弹性模量与抗张强度分别为1~2 TPa 和200Gpa)、卓越的热性能与电性能(碳纳米管在真空下的耐热温度可达2800 ℃,导热率是金刚石的 2 倍,电子载流容量是铜导线的1000 倍)[2-7]。碳纳米管的这些特性使其在复合材料领域成为理想的填料。聚合物容易加工并可制造成结构复杂的构件,采用传统的加工方法即可将聚合物/碳纳米管复合材料加工及制造成结构复杂的构件,并且在加工过程中不会破坏碳纳米管的结构,从而降低生产成本。因此,聚合物/碳纳米管复合材料被广泛地研究。 根据不同的应用目的,聚合物/碳纳米管复合材料可相应地分为结构复合材料和功能复合材料两大类。近几年,人们已经制备了各种各样的聚合物/碳纳米管复合材料,并对所制备的复合材料的力学性能、电性能、热性能、光性能等其它各种性能进行了广泛地研究,对这些研究结果分析表明:聚合物/碳纳米管复合材料的性能取决于多种因素,如碳纳米管的类型(单壁碳纳米管或多壁碳纳米管),形态和结构(直径、长度和手性)等。文章主要对聚合物/碳纳米管复合材料的研究现状进行综述,并对其所面临的挑战进行讨论。 1 聚合物/碳纳米管复合材料的制备 聚合物/碳纳米管复合材料的制备方法主要有三种:液相共混、固相共融和原位聚合方法,其中以共混法较为普遍。

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

碳纳米管制备技术研究进展

姓名:陈静学号:2009200428 碳纳米管制备技术研究进展 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。由于拥有潜在的优越性能,碳纳米管无论在物理、化学还是在材料学领域都将有重大发展前景。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,并在制备及应用方面取得了突破性进展。本文着重从碳纳米管的制备方法与应用前景两方面,阐述了碳纳米管的研究进展与发展潜力。 0 引言 随着微电子技术的进一步发展,微细化成为器件的重要发展方向,纳米器件的研究成为近几年的热点。并出现了许多不同的纳米器件制备工艺,如,:操纵原子、模板法制备纳米材料、纳米材料选择性生长等,但还未出现材料选择性好、成本低、可批量生产的技术。目前,以纳米材料为模块,采用自下而上的构筑加工工艺(Bottom-up)制作纳米器件已成为一个亮点。这种工艺中,纳米材料可经不同制备方法获得,并可对其进行提纯、筛选等一系列前处理,进而充分保证了材料的质量,Bottom-up的构筑方式可根据设计要求实现任意纳米级尺寸的纳米器件,但目前还未出现有效、可控排布纳米材料的有关报道。 碳纳米管由于具有独特的结构、电学性质,已成为制备纳米器件的首要候选材料。碳纳米管是一种一维管状分子结构的新型功能材料,以其特殊的结构显示出了极强的量子效应和奇特的物理化学性能,在催化、复合材料、储能材料和微电子器件等诸多领域表现出了很大的潜在应用前景。目前制备碳纳米管的方法有石墨电弧法、激光法、催化裂解法(CVD)等,其中前两种方法存在产量少,不易实现工业化生产的特;而CVD法以其设备简单,成本低,反应过程容易控制,产量高等优点成为目前制备碳纳米管的主流。

综述:碳纳米管材料的发展、性能与应用”

大连东软信息学院电子工程系《微电子发展前沿技术》期末大作业 项目一二三四总分 分数 综述:碳纳米管材料的发展、性能与应用 姓名刘胜 班级微电子11001班 学号11160600113 专业电子信息工程(微电子制造方向) 2014年5月18日

目录 第1章前言 (1) 1.1碳纳米管简介 (1) 1.2碳纳米管的发展 (1) 1.3碳纳米管现状 (3) 第2章碳纳米管的优秀性能 (4) 2.1电学性能 (4) 2.2力学性能 (4) 2.3热学性能 (4) 2.4复合材料性能 (4) 第3章碳纳米管的应用及前景 (5) 3.1碳纳米管的应用 (5) 3.2碳纳米管的前景 (6) 参考文献 (8)

第1章前言 1.1碳纳米管简介 碳纳米管,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, 可看作是由片层结构的石墨卷成的无缝中空的纳米级同轴圆柱体, 两端由富勒烯半球封帽而成。按片层石墨层数分类, 可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。单壁碳纳米管可看成是由单层片状石墨卷曲而成, 而多壁碳纳米管可理解为不同直径的单壁碳纳米管套装而成, 层与层之间距离约0.3 4 n m 。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。 碳纳米管具有最简单的化学组成及原子结合形态, 却展现了最丰富多彩的结构以及与之相关的物理、化学性能。由于它可看成是片状石墨卷成的圆筒, 因此必然具有石墨优良的本征特性, 如耐热、耐腐蚀、耐热冲击、传热和导电性好、有自润滑性和生体相容性等一系列综合性能。但纳米碳管的尺度、结构、碳原子相结合又赋予了碳纳米管极为独而有广阔应用前景的性能。 1.2碳纳米管的发展 1991年日本NEC公司基础研究实验室的科学家饭岛澄男(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。是一种外径为515nm、内径213nm、仅由两层同轴类石墨圆柱面叠合而成的碳结构。进一步的分析表明,这种管完全由碳原子构成,并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[1],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。 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[2]。

碳纳米管的研究进展

碳纳米管制备方法的研究进展 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。由于拥有潜在的优越性能,碳纳米管无论在物理、化学还是在材料学领域都将有重大发展前景。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。 1.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【1】。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【2】.。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【3】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【2】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。 2.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【4】。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【5】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[6]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沉积法,得到了在镀有镍层的玻璃上排列整齐的阵列式碳纳米管管束。此种方法生长的碳纳米管不会缠绕在一起, 易于分散。 近年来,有些研究组鉴于碳纳米管制备方法的不连续性,进行了连续制备碳纳米管的研究, 在催化裂解方法的基础上改进,得到一种新方法,即催化裂解无基体法。此种方法与原有的有机物催化裂解法的主要区别是没有催化剂载体以及催化剂的制备工艺,催化剂前驱体(二茂 铁等)在载气的带动下进入反应炉;产品能够连续取出,为连续制备创造了实验条件;配有气 体涡流装置。该方法可连续制备碳纳米管,而且制备出的碳纳米管质量较好,管径可得到有效控制,多是直管且平行成束,催化剂颗粒及其它杂质较少。 3.激光蒸发法 其原理是利用激光束照射至含有金属的石墨靶上,将其蒸发,同时结合一定的反应气体,在基底和反应腔壁上沉积出碳纳米管。Smalley【7】等制备C60时,在电极中加入一定量的催化剂,得到了单壁碳纳米管。Thess【8】等改进实验条件,采用该方法首次得到相对较大数量的单壁碳纳米管。实验在1 473 K条件下,采用50ns的双脉冲激光照射含Ni/Co催化剂颗粒的石墨靶,获得高质量的单壁碳纳米管管束。这种方法易于连续生产,但制备出的碳纳米管的纯度低,易缠结,且需要昂贵的激光器,耗费大。 4.低温固态热解法 低温固态热解法是通过制备中间体来生产碳纳米管的。首先制备出亚稳定状态的纳米级氮化碳硅(Si-C-N)陶瓷中间体,然后将此纳米陶瓷中间体放在氮化硼坩埚中,在石墨电阻炉 中加热分解,同时通入氮气作为保护性气体,大约加热1h左右,纳米中间体粉末开始热解碳原

碳纳米管及其应用研究

龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/2618721762.html, 碳纳米管及其应用研究 作者:成尔军 来源:《中小企业管理与科技·下旬》2010年第02期 摘要:碳纳米管的发现是碳团簇领域的又一重大科研成果,本文探讨了碳纳米管的结构、特性、活化方法,评述了这种纳米尺寸的新型碳材料在电化学器件、氢气存储、场发射装置、碳 纳米管场效应晶体管、催化剂载体、碳纳米管修饰电极领域的应用价值,展望了碳纳米管的介 入对全球性物理、化学及材料等学科界所带来的美好前景。 关键词:碳纳米管结构性质应用 1 碳纳米管的发现 1991年,日本NEC科学家Iijima在制取C60的阴极结疤中首次采用高分辨隧道电子显微镜(HRTEM)发现一种外径为515nm、内径213nm、仅由两层同轴类石墨圆柱面叠合而成的碳结构。进一步的分析表明,这种管完全由碳原子构成,并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[1]。 2 碳纳米管的结构 碳纳米管(CNT)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。MWNTs一般由几层到几十层石墨片同轴卷绕构成,层间间距为0.34nm左右,其典型的直径和长度分别为 2-30nm0.1-50μm.SWNTs由单层石墨片同轴卷绕构成,其侧面由碳原子六边形排列组成,两端由碳原子的五边形封顶。管径一般从10-20nm,长度一般可达数十微米,甚至长达20cm[2]。 3 碳纳米管的活化 一般认为,在碳纳米管表面引入一些电活性基团,经过活化才能有较好的电化学响应。活化的方法一般分为两类:①在制成电极前对碳纳米管进行活化,包括在气相中用空气或等离子体氧化或用酸(主要是浓HNO3)氧化。以浓HNO3处理碳纳米管的方法是:将碳纳米管在浓硝酸中浸泡10小时后,100℃浓硝酸回流5-6小时。再将得到的悬浊液离心分离、烘干,得到粉末状开管 硝基化的碳纳米管。取1mg分散至3ml的N-N-二甲基甲酰胺(DMF)中,超声分散15分钟,备

纳米抗菌材料国内外研究现状

1.国内外研究现状和发展趋势 (1)多尺度杂化纳米抗菌材料的国内外研究进展 Ag+、Zn2+和Cu2+等金属离子具有抗菌活性,且毒性小、安全性高而被广泛用作抗菌剂使用。但是,由于其存在易变色、抗菌谱窄、长效性差、耐热性和稳定性不好等缺点而成为其进一步发展的障碍。相比而言,纳米银、纳米金、纳米铜、纳米氧化锌等纳米材料则可以在一定程度上克服这些问题。例如纳米银,在抗菌长效性和变色性方面均比银离子(多孔纳米材料负载银离子)抗菌剂有显著改善,而且其毒性也更低(Adv. Mater. 2010);关于其抗菌机理,被认为是纳米银释放出银离子而产生抗菌效果(Chem. Mater 2010,ACS Nano 2010)。纳米金也有类似的效果(Adv. Mater. Res.2012),尽管活性比纳米银稍差,但其对耐药菌株表现出良好的抗菌活性(Biomaterials 2012)。铜系抗菌材料可阻止“超级细菌”(NDM-1)的传播(Lancet Infec.Dis.2010)。活性氧化物是使用时间最长、使用面最广泛的一类长效抗菌剂,其中氧化锌是典型代表,特别是近年来随着纳米技术的发展,一系列低维结构氧化锌的出现,为氧化锌系抗菌材料提供了极大的发展空间,由于其良好的安全性,氧化锌甚至可用于牙科等口腔材料(Wiley Znter Sci.,2010)。本项目相关课题组多年的研究发现,ZnO的形貌差异、结构缺陷和极化率等都会影响其抗菌活性(Phys. Chem. Chem. Phys. 2008);锌离子还可以与多种成分杂化,产生协同抗菌活性而提高其抗菌性能(Chin. J. Chem. 2008, J. Rare Earths 2011)。 利用杂化纳米材料结构耦合所带来的协同作用提高纳米材料的抗菌活性是近年来的研究热点。例如:纳米铜与石墨烯杂化体系中存在显著的协同抗菌作用(ACS Nano2010)。用络氨酸辅助制备的Ag-ZnO杂化纳米材料,表现出良好的抗菌和光催化性能(Nanotechnology 2008);但是Ag的沉积量过大,催化活性反而有所降低(J. Hazard. Mater. 2011)。以壳聚糖为媒质,通过静电作用合成得到均匀的ZnO/Ag纳米杂化结构,结果显示,ZnO/Ag纳米杂化结构比单独的ZnO 和单独纳米Ag的抗菌活性都高,表现出明显的协同抗菌作用(RSC Adv. 2012)。Akhavan等用直接等离子体增强化学气相沉积技术,结合溶胶-凝胶技术把锐钛

相关文档
最新文档