碳纳米管的性质与应用

碳纳米管的 Nhomakorabea学性能：
研究碳纳米管的发光性质从其发光位置着手 研究。单壁纳米碳管的发光是从支撑纳米碳管的 金针顶附近发射的，并且发光强度随发射电流的 增大而增强；多壁纳米碳管的发光位置主要限制 在面对着电极的薄膜部分，发光位置是非均匀的， 发光强度也是随着发射电流的增大而增强。碳纳 米管的发光是由电子在与场发射有关的两个能级 上的跃迁而导致的。研究表明单壁纳米碳管的光 吸收随压力的增大而减弱，其原因在于压力的变 化会导致纳米碳管对称性的改变。
碳纳米管的性质与应用
应化0804 报告人：赵 开
主要内容
碳纳米管的简介
碳纳米管的性质
碳纳米管的应用 碳纳米管的展望
碳纳米管的简介
碳纳米管（CNT）是碳的同素异形体 之一，是由六元碳环构成的类石墨平面卷 曲而成的纳米级中空管，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。 碳纳米管是由一层或多层石墨按照一定方 式卷曲而成的具有管状结构的纳米材料。 由单层石墨平面卷曲形成单壁碳纳米管 （SWNT），多层石墨平面卷曲形成多壁碳 纳米管（MWNT）。
碳纳米管的展望
由于碳纳米管具有非常好的性能，其 尺寸又处于纳米级，因而具有很好的应用 前景，受到了多个领域研究者的广泛关注。 随着其应用研究的进展，势必引起一场科 技革命的新突破，并带动一系列相关高科 技产业的兴起与发展。在不久的将来，基 于碳纳米管的多种现代化产品将会真正进 入我们的生活，对社会的发展势必将起到 极大的推动作用。
碳纳米管在电磁学领域的应用：
碳纳米管具有良好的导电性，是一种可用于制备修饰 电极和电化学传感器的优良材料。将碳纳米管对传统电极 进行修饰可以降低氧化过电势，增加峰电流，从而改善分 析性能，提高方法选择性和灵敏度。因此，碳纳米管作为 修饰电极材料已广泛应用于分析化学领域。利用碳纳米管 的场致电子发射性能可用于制作平面显示装置，使之更薄、 更省电，从而取代笨重和低效的电视和计算机显示器。碳 纳米管的优异场发射性能还可使其应用于微波放大器、真 空电源开关和制版技术上，可用于大规模集成电路、超导 线材、超电容器，也可用于电池电极和半导体器件。碳纳 米管的直径比以往用的针尖小得多，用碳纳米管作为扫描 探针能大大提高其分辨率。利用碳纳米管的金属导电性和 半导体性能，碳纳米管还被用于制作分子级开关、半导体 器件等。
碳纳米管又称巴基管，属富勒碳 系，由于碳纳米管的直径一般在 1~30mm之间，而长度可达数米级，长 径比在100到1000之间，因此可以将它 看成一维的量子线。
单壁碳纳米管 SWNT
多壁碳纳米管 MWNT
碳纳米管的性质
碳纳米管的分类：
（1）按照石墨层数分类，碳纳米管可 分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。（2） 按照手性分类，碳纳米管可分为手性管和 非手性管。其中非手性管又可分为扶手椅 型管和锯齿型管。（3）按照导电性能分类， 碳纳米管可分为导体管和半导体管。
碳纳米管的力学性能：
碳纳米管拉伸强度是钢的100倍，质量只有钢 的 1/ 6，并且延伸率可达到20 %，其长度和直径 之比可达 100～1000，远远超出一般材料的长径 比，因而被称为“超强纤维”。碳纳米管是一种 绝好的纤维材料，具有碳纤维的固有性质，强度 及韧性均远优于其他纤维材料。单壁碳纳米管的 杨氏模量在1012Pa范围内，在轴向施加压力或弯 曲碳纳米管时，当外力大于欧拉强度极限或弯曲 强度，它不会断裂而是先发生大角度弯曲然后打 卷形成麻花状物体，当外力释放后碳纳米管仍可 以恢复原状。
碳纳米管在催化剂材料领域的应用：
碳纳米管在催化方面主要是当载体来使用， 直接用碳纳米管作催化剂并不多。将比表面为 180m2/g的碳纳米管直接应用于NOX的催化还原， 在573K获得8%的NO转化率，而当温度升至873K 可得到100 %的NO转化率。碳纳米管在合成氨催 化方面也有突出贡献。有研究者在钌基氨合成催 化剂研究中发现，在同等条件下以碳纳米管为载 体的钾促进的钌基催化剂，这比以氧化物为载体 的钌基氨合成催化剂的活性高得多，这有利于氨 的合成。应当注意的是碳纳米管其特殊的孔腔多 层结构为氮及氢的吸附和反应提供了足够的空间 以及快速吸附、脱附的通道。
碳纳米管的电磁性能：
在纳米碳管内，由于电子的量子限域，电子 只能在石墨片中沿着纳米碳管的轴向运动，因此 纳米碳管表现出独特的电学性能。它既可以表现 出金属的电学性能又可以表现出半导体的电学性 能。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。 碳纳米管的磁化率比石墨、富勒烯、活性炭、碳 黑等其它材料要高。由于碳纳米管的尖端具有纳 米尺度的曲率，在相对比较低的电压下就能够发 射大量的电子，很适合用作各种场致发射器件的 阴极。
碳纳米管的催化性能：
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。如果直接用碳纳米管做催化剂可明 显转换率。
碳纳米管的其他性能：
碳纳米管具有超导性能，单壁碳纳米 管的电导率随外磁场的变化而改变，管内 电子的自旋与外磁场之间有较强的相互作 用，因此由外界改变单壁碳纳米管内的磁 序列是可能的。碳纳米管具有很好的热稳 定性，在真空状态高温下保持稳定。碳纳 米管具有良好的导热性，它的导热性是金 刚石的两倍。
碳纳米管在储氢材料领域的应用：
开发氢气这种新型清洁能源，对于解决世界性能源危机， 实现可持续发展具有重大的现实意义。直径为零点几纳米到几 十纳米的碳纳米管具有纳米尺度的中空孔道，被认为是一种极 具潜力的储氢材料。纯净的单壁碳纳米管的储氢能力质量分数 可达5％～10％。单壁碳纳米管是目前唯一能满足氢能源燃料 电池汽车的一种储氢材料。利用碳纳米管的储氢能力，可用于 制造质子交换膜燃料电池，这种燃料电池通过消耗氢产生电力， 排出的废气为水蒸气，没有污染。用碳纳米管储氢材料储氢后 供应氢，也可通过分解汽油和其他碳氢化合物或直接从空气中 获取氢给燃料电池提供氢源。碳纳米管储氢的优越性将使碳纳 米管燃料电池成为最具发展潜力的新型汽车动力源。单壁碳纳 米管的储气和解吸的温度、压力和动力学可能与纳米管的直径 和长径比有关，控制这些参数并提高产量、纯度等条件将能得 到具有实际应用价值的储氢材料，有望推动和促进氢能源的利 用。
碳纳米管在医学领域的应用：
癌症目前还没有完全治愈的方法。研究表明将特定序 列的RNA修饰到碳纳米管表面，这些功能化碳纳米管可 以特异性结合到癌细胞表面，在一定小波长激光的照射下， 这种RNA功能化碳纳米管就可以特异地杀死癌细胞圈。 有学者研究在无线电场的作用下，碳纳米管可在一定条件 下杀死肝脏肿瘤细胞，而对附近的健康细胞伤害较小。这 些研究预示着碳纳米管在未来可能作为新一代抗癌药物， 从而取代目前使用的副作用较大的抗癌药物。碳纳米管声 学传感器可以用作“纳米听诊器”，使诊断更为准确。由 碳纳米管制成的微型纳米钳，有望成为科学家和医生装配 纳米机械和进行微型手术的新工具。
碳纳米管的应用
碳纳米管在力学领域的应用：
基于碳纳米管的优良力学性能可以将其作为 结构复合材料的增强剂。用碳纳米管取代碳纤维 而成为复合材料的优异的增强剂，可大大增强纤 维的韧性。另外，碳纳米管可以承受重击，所以 它是很好的装甲和防弹衣的材料。碳纳米管还可 以用于场发射、微电极和SPM探针显微镜的针尖。 在纳米机械方面，已经研制出可称量单个病毒质 量的“纳米秤”。纳米秤与悬挂的钟摆很相似， 通过测量振动频率便可以测出粘结在悬臂梁一端 的颗粒的质量。利用这个原理可以测量出粘结在 碳纳米管自由端顶部的微小质量。
碳纳米管在其他领域的应用：
由于碳纳米管具有非常高的强度，且耐强酸、强碱，600 ℃以下 基本不氧化，又具有纳米级尺寸，故可与工程材料复合起到强化作用。 用碳纳米管增强高分子材料以扩展高分子材料的应用领域具有很高的 研究及推广价值。在军事方面，碳钠米管具有超强的力学性能，可用 它作防弹性能的材料，在增强防弹效果的同时还能大大减轻防弹衣重 量，具有很大的开发潜能。碳纳米管作为微波吸收剂，可用于隐形材 料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料，由于发射到该材料表面的电磁波 被吸收，不产生反射，因而达到隐形效果，用于隐形飞机等电子武器 装备。碳纳米管还给物理学家提供了研究毛细现象机理最细的毛细管， 给化学家提供了进行纳米化学反应最细的试管。基于碳纳米管的新技 术，其领域将应用于解决人类目前所面临的能源危机、水资源匮乏等 一系列与生活息息相关的问题。
碳纳米管的敏感性能：
碳纳米管对多种气体有敏感性能，碳纳米管 对氧气极为敏感，这是电子在氧原子和碳纳米管 之间的转移所造成的结果。碳纳米管在吸附氧原 子后电阻会下降15%。如果把半导体性的单壁碳 纳米管放置在含二氧化氮或氨气中，很快碳纳米 管的电阻变化可达3个数量级。其吸附二氧化氮后， 使其电阻下降，吸附氨气后导致其电阻增大。这 是由于空穴是碳纳米管中的主要载流子，吸附二 氧化氮会引起费米能级下移从而靠近价带，吸附 氮气会引起费米能级上移从而靠近导带。