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
纳米管，导电性能更好，这使得目前关于碳纳米管的应用研究主要集中在电学领域．碳纳米管本身具有端部曲率半径小的结构特点，因此在代替钼针作场发射电极时，具有较低的激发电压，并且具有自动修补功能，可大大提高视屏系统的效率和功能．通过控制生产工艺，使碳纳米管中的五边形碳环-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，可用于制作电子碳纳米管开关和碳纳米管二极管。
2复合材料领域
碳纳米管的加入将更有利于发挥该类复合材料的高强度、低膨胀、导电导热性好及耐磨等特性。碳纳米管增强铜基复合材料具有良好的减摩耐磨性能，该复合材料的磨损过程包含跑合阶段和稳态磨损阶段，在稳态磨损阶段主要发生氧化磨损，同时还发生磨粒磨损;碳纳米管体积分数在12%一15%之间时，其润滑和抑制基体氧化的效果较好，因而复合材料的减摩耐磨性能最佳。
碳纳米管可以制成透明导电的薄膜，用以代替ITO（氧化铟锡）作为触摸屏的材料。先前的技术中，科学家利用粉状的碳纳米管配成溶液，直接涂布在PET 或玻璃衬底上，但是这样的技术至今没有进入量产阶段；目前可成功量产的是利用超顺排碳纳米管技术；该技术是从一超顺排碳纳米管阵列中直接抽出薄膜，铺在衬底上做成透明导电膜，就像从棉条中抽出纱线一样。该技术的核心－超顺排碳纳米管阵列是由北京清华-富士康纳米中心于2002年率先发现的新材料。
3 碳纳米管的原子高表面率应用
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。
4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。
三碳纳米管的制备工艺
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。目前碳纳米管的大量制备仍然是以电弧放电法和高温催化热解法为主[7]。
电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。1991年的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置于一个充满氦气或氩气的反应容器中，在两极之间激发出电弧，此
时温度可以达到约4000度。在这种情况下，石墨便会蒸发，生成产物有富勒烯、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，可以调节几种产物的相对产量。使用这一方法制备碳纳米管在技术上比较简单，但是生成的碳纳米管与C60等产物混杂在一起，很难得到纯度较高的碳纳米管，并且得到的往往都是多层碳纳米管，而实际研究中人们往往需要的通常是单层的碳纳米管。另外这种方法反应消耗能量太大。有些研究人员发现，如果采用熔融的氯化锂作为阳极，可以有效地降低反应中消耗的能量，产物纯化也比较容易。
催化裂解法是在600~1000℃的温度及催化剂的作用下，使含碳气体原料（如一氧化碳、甲烷、乙烯、丙烯和苯等）分解来制备碳纳米管的一种方法。此方法在较高温度下使含碳化合物裂解为碳原子，碳原子在过渡金属-催化剂作用下，附着在催化剂微粒表面上形成为碳纳米管。催化裂解法中所使用的催化剂活性组分多为第八族过渡金属或其合金，少量加入Cu、Zn、Mg等可调节活性金属能量状态，改变其化学吸附与分解含碳气体的能力。催化剂前体对形成金属单质的活性有影响，金属氧化物、硫化物、碳化物及有机金属化合物也被使用过。
激光烧蚀法的具体过程是：在一长条石英管中间放置一根金属催化剂/石墨混合的石墨靶，该管则置于一加热炉内。当炉温升至一定温度时，将惰性气体冲入管内，并将一束激光聚焦于石墨靶上。在激光照射下生成气态碳，这些气态碳和催化剂粒子被气流从高温区带向低温区时，在催化剂的作用下生长成碳纳米管。
固相热解法是令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，而且不需要催化剂，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。
离子或激光溅射法：此方法虽易于连续生产，但由于设备的原因限制了它的规模。
其他合成方法
近几年来，科研工作者在改进传统制备技术的同时，探索和研究出了一系列新型碳纳米管的制备技术，其中有水热法、火焰法、超临界流体技术、水中电弧法、固相热解法、太阳能法等。Chemozatonskii等人通过电子束蒸发涂覆在Si基体上的石墨的方法制备了规则排列的纳米碳管。Feldman等人利用电解碱金属卤化物的方法制备了直径为30～50 纳米的多壁纳米碳管。在碳纳米管产业化进程中，日本和美国一直处于领先的位置。目前，中国的碳纳米管生产技术在国际上也具有一定的优势，如深圳纳米港公刮拥有了具有完全自主知识产权的沸腾床催化热解法生产工艺和装置，清华大学和中科院等科研院所已具备一定规模化生产的条件[7]。
现在对碳纳米管的制备研究较多,但碳纳米管的制备方法和制备工艺中仍存在许多问题有待解决。比如某些制备方法得到的碳纳米管生长机理还不明确,影响碳纳米管的产量、质量及产率的因素也不清楚。另外,目前,无论哪一种方法制备得到的碳纳米管都存在杂质高、产率低等缺点。这些都是制约碳纳米管研究和应用的关键因素。如何能得到高纯度、高比表面积和长度、螺旋角等可控的碳纳米管,还有待研究和解决。
四碳纳米管的纯化
碳纳米管分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管两类，它们的性质不同，所以其纯化方法也有所不同;而且由于不同的制备方法和实验条件引人的杂质不同，所以纯化方法还因具体的制备方法而异。到目前为止，已经提出的碳纳米管的纯化方法有许多种[8]。
1、物理纯化法
（1）离心分离法
由于石墨微粒、碳纳米粒子和无定形碳等杂质的粒度比碳纳米管大，在离心分离时它们受到离心力的作用先沉积下来，而粒度较小的碳纳米管则留在溶液中，从而分离。
（2）过滤纯化法
碳纳米管在具有水表面活性的溶液中可以呈动态稳定的投胶状分散物存在。过滤法具有简捷、高效的特点，同时不会破坏样品，但该方法成本较高。
(3)空间排斥色谱法
空间排斥色谱法(SEC)也称凝胶渗透色谱法。该方法是基于试样分子尺寸和形状的不同来实现分离。该方法所用的填充剂是凝胶，其孔穴大小应与被分离试样的大小相当。对于那些太大的分子(如碳纳米管)不能进人孔穴而被排斥，故随流动相移动而最先流出;小分子能深人大大小小的孔穴，完全不受排斥，而最后流出;中等大小的分子可进人较大孔穴，但会受到较小孔穴的排斥，所以在介于上述两种情况之间流出。由于碳纳米管与其它杂质的尺寸不同，故该方法可有效将单壁或多壁碳纳米管与其它杂质分离。
物理法主要利用超声波降解、离心、沉积和过滤而将其分离。这对于提纯单壁碳纳米管是一种有效的方法[9]。
2、化学纯化方法
碳纳米管具有很高的结构稳定性，耐强酸、强碱腐蚀，而其它的杂质，如石墨微粒、碳纳米粒子、富勒烯，它们的稳定性都远不如碳纳米管。可用酸(如盐酸，氢氟酸等)去除金属催化剂颗粒，同时利用碳纳米管稳定性高、不易氧化的这一特性，用氧化剂把其它碳成分除掉[10]。通常采用的氧化方法有气相氧化法和液相氧化法，也称为干法和湿法。主要是用碳纳米管与杂质的氧化速度的不同而除去杂质来提纯。其基本原理是优先氧化碳纳米管管壁周围悬挂的五元环和七元环，而没有悬挂键的六元环需要较长时间才能被氧化。当碳纳米管的封口遭到破坏，由六元环组成的管壁被氧化的速率十分缓慢，而碳颗粒则一层层背氧化，最后只剩下碳纳米管，从而达到提纯的目的。
a气相氧化纯化法
气相氧化法主要是利用空气或氧气对含碳纳米管的样品进行氧化从而达到提纯的目的，该方法不需要特殊的实验装置，反应条件容易控制，操作简单、易行，有工业化应用前景。但是气相氧化法的氧化时间难以掌握，氧化过程中氧气具有局部不均匀性，产率低。气相氧化纯化法：(1) 氧气氧化法(2) 空气氧化法(3) CO2氧化法(4) H2S-02氧化法(5) 金粉催化O2氧化法。
b液相氧化纯化法
液相氧化法是利用氧化性酸对碳颗粒的氧化反应处理粗产物，同时用酸溶掉金属催化剂颗粒，得到纯净的碳纳米管。液相氧化法虽然除去副产物，但改变了碳纳米管的表面结构，使纳米碳管表面产生了许多酸性功能基(-COO、>C=0、-COH 等)。这一点对于碳纳米管在电学、力学、材料学等方面的应用是不利的，但对于碳纳米管在化学领域、尤其在多相催化领域中的应用却是有利的，因为碳纳米管表面有了这些功能基以后，更有利于用金属对其进行表面修饰。常用的氧化性酸溶液有硝酸、混酸、重铬酸钾和高锰酸钾的硫酸溶液等。液相氧化纯化法：(1)硝酸氧化法(2)混酸氧化法(3)重铬酸钾氧化法(4)高锰酸钾氧化法。
3、综合纯化法
化学纯化方法在氧化掉其它杂质的同时，有相当一部分的碳纳米管管壁和管端也相应被氧化掉了，残余的碳纳米管无论是管径还是管长都小于未纯化前的状态，其结构受到了较大的破坏;物理纯化法在纯化过程中可避免碳纳米管受到破坏，但是由于碳纳米管和大部分杂质均为碳质，在物理性质上的差异并不大，所以很难得到高纯度的碳纳米管[11]。可见都有各自的优势，也存在弊端。因此，就有了物理化学方法的综合使用。综合法是一种纯化流程，它结合了化学方法高效分离和物理法不破坏碳纳米管结构的优势，在尽量高效的分离地同时，把对碳纳米管的破坏程度降为最低。综合纯化法：(1)酸处理与电泳法的结合(2)微孔过滤与电解法的结合(3) 气相氧化、酸处理与微孔过滤的结合(4) 酸处理与离心分离的结合(5)萃取、酸处理与冷冻法的结合。
五碳纳米管的表面修饰
碳纳米管的修饰是指通过溴水、重铬酸钾、酸等氧化剂氧化碳纳米管的端口和侧壁，在其上引进一些基团，从而克服碳纳米管的短程作用力[12]。
六国内外最新研究现状及展望：
目前，各国在实验上对碳纳米管的研究方兴未艾，并都取得了一定的成就，美国发明了纳米秤，日本制成了铂填充的碳纳米管，德国制备出直径为1纳米的碳纳米管。我国个别研究成果虽然走在了世界最前沿，如合成出世界最长的碳纳米管、高质量碳纳米管储氢的研究等，但在纳米科技领域的总体水平与美日欧相比，差距还很大。目前各国主要面临以下两个共同问题，使得碳纳米管不能真正得到工业应用；1如何实现高质量碳纳米管的连续批量工业化生产。2如何更深入研究碳纳米管实际应用问题。
我们应该看到，目前所得到的碳纳米管缺陷较多，且不易分散，这大大限制了碳纳米管的性质研究和应用研究。所以对碳纳米管制备方法的研究显得尤为重要。另外，纳米尺寸的测量手段也须进一步加强。总之，随着碳纳米管研究的逐步深入以及纳米科技的快速发展，纳米碳材料将会对全世界的科学和经济产生重大的影响。
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
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
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
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。
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。
碳纳米管及其应用研究
龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/8118516772.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
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
碳纳米管纳米复合材料的研究现状及问题
碳纳米管纳米复合材料的研究现状及问题 ［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 lijima）［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 C,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。