英文综述 碳纳米管
碳纳米管-CNT

1992 前苏联科学家也独立发现了碳纳米管,但结果发表在俄语杂志上 ➢ 1993 Iijima (NEC, Japan)和Bethune (IBM, USA)的研究组各自独立发现了
单壁碳纳米管(SWNT)
➢ SWNT
结构
管壁由单石墨片层卷绕而成,两侧由富勒烯半球封端 根据卷绕方式(n, m)的不同,SWNT可分为
CNT
性 能(续)
➢ 力学性能
杨氏模量 1~5 TPa,与石墨片层相当(1.06TPa),
比碳纤维高一个数量级,约为钢的100
倍, 而密度仅为钢的1/6
拉伸强度 10~150GPa,石墨片层为36.5GPa,拉伸形变至40%无明显脆性行为、塑性
形变和断裂
MWNT tensile test
✓ armchair n = m ✓ zigzag n = 0 ✓ chiral n ≠ m, m ≠ 0 根据电子结构的不同,SWNT可分为 ✓ 金属性 (n-m)/3为整数 ✓ 半导体性 (n-m)/3为非整数
单石墨片层
armchair型SWNT
zigzag型SWNT
chiral型SWNT
➢ MWNT
电阻率 0.05 µΩ.m ~ 10 mΩ.m 电流密度 1010 ~ 1013 A/m2
AFM image
CNT电性能测试装置(左) 电性能测试结果(右)
性 能(续)
➢ 热性能
热稳定性 真空环境可耐温至2800oC,空气中700oC 热导率 理论值6000W.(m.K)-1;实验值3000W.(m.K)-1
碳纳米管
Carbon Nanotubes, CNTs
太空电梯 - 未来的地球-太 空班车
CNT-based Cable
CNTs-碳纳米管简介

简介
碳纳米管(carbon nanotubes, CNTs) 于1991年由NEC(日本电气)筑波研 究所的饭岛澄男(Sumio Iijima)首次 以论文的形式报道出来的
文献一
单壁碳纳米管的首次介绍
文献二
图示
图片来源:刘剑洪,吴双泉,碳纳 米管结构及其应用,深圳大学理工 学报,2013
分析
1 、 碳纳米管可看成是由石墨片层绕管轴 ( tube axis )卷曲而成 , 不同的卷曲方式所 得的结构不同,其性质也会不同。 2 、卷曲时石墨片层中保持不变的六边形网 格与碳纳米管轴向之间可能会出现夹角即螺 旋角。 3 、螺旋角不同代表其旋转程度的不同,一 个纳米管的旋转由管轴和螺旋角两者决定。 4 、碳纳米管的封口通常有曲面、多边形或 锥型面所完成。(一般为五边形与七边形的 组合)
图9 展开的碳纳米管
分析
1、作者不认为是蛋卷型结构,理由如下: 如果是这种蛋卷结构,那么这种细管会有覆盖边缘存在(edge overlaps on their surfaces),但实验中并没有观察到)。 2、在不同的管形貌观察中,作者提出了一个纳米管生长的模型,即:每个纳米 管在根部开始各自独立的螺旋生长,但其具体的生长机理是未知的,但可肯定的 是它与传统的螺旋位错是不一样的,因为它有圆柱状的点阵。 3、目前也还无法得到具有清晰横截面的多壁碳纳米管试样。
分析
图9 通过电子显微镜看到的图像 (图中黑色为Fe3C等杂质) 由图可知纳米管通常聚集一起呈捆状(由于范德华力的作用),但孤立、单独的 纳米管同样存在。
分析
图10 纳米管直径大小统计
1 、在电子显微镜下挑选了 60 根纳米管,对他们的直径进行了了统计,发现在 0.8nm和1.05nm周围的数量较多; 2、右图对一根直径为1.37nm的纳米管进行电子衍射。
碳纳米管的发展及应用

碳纳米管的发展及应用马鞍山安徽工业大学材料与工程学院无机093 纪多亮摘要:本文重点介绍制备纳米管方法有石墨电弧法、激光蒸发法、催化热解法等技术。
同时也叙述了碳纳米管的力学性能、光学性能、电磁学性能等性能及其应用,前景。
关键词:碳纳米管制备技术性能应用前景Carbon nanotubes development and application Ma on shan Anhui University of Technology Materials and engineering institute Inorganic093 ji duoliangAbstract: This paper mainly introduces the preparation method of nanotubes with graphite arc method, laser evaporation method, catalytic pyrolysis technology. At the same time also described the mechanical properties of carbon nanotubes, optical properties, electromagnetics performance properties and application, the prospectKeywords: Carbon nanotubes Preparation technology Performance application prospect前言:自1991 年日本电气公司的S.Iijima(饭岛澄男)教授[1]发现碳纳米管以来,碳纳米管因其优异的力学、电学和光学性能受到了越来越多的关注。
碳纳米管是由碳六元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zeta 电位

碳纳米管zeta 电位
碳纳米管(Carbon Nanotube,简称CNT)是一种具有特殊结构和性质的碳材料。
在纳米尺度上,碳纳米管表现出良好的电学、力学、热学等性能,使其在电子器件、纳米技术、储能等领域具有广泛的应用前景。
Zeta电位(Zeta Potential)是一种描述分散体系中颗粒表面电荷特性的指标。
在碳纳米管的研究中,Zeta电位具有重要的意义。
它可以帮助我们了解碳纳米管表面电荷的正负,从而指导其下一步的修饰、改性或者在不同体系中的应用。
同时,Zeta电位还可以用来判定并指导提高碳纳米管在溶液体系中的稳定性。
关于碳纳米管的Zeta电位研究,已经取得了一些成果。
例如,有研究报道了通过改变碳纳米管的表面化学性质,可以调控其Zeta 电位。
此外,还有一些研究探讨了碳纳米管的Zeta电位对其在水溶液中的聚集行为、分散稳定性的影响。
总之,碳纳米管的Zeta电位对其性能和应用具有重要影响。
在碳纳米管的研究和应用过程中,需要关注其Zeta电位的变化,并采取相应的方法和策略来调控其表面电荷特性,以满足不同应用场景的需求。
碳纳米管材料的用途

碳纳米管材料的用途碳纳米管(CarbonNanotubes,CNTs)是由碳原子构成的纳米级管状结构材料,具有独特的物理和化学性质,因此在许多领域中被广泛应用。
本文将从电子学、材料科学、生物医学等方面介绍碳纳米管的用途。
一、电子学碳纳米管是一种优秀的电子材料,具有优异的电导率、热导率和机械强度。
由于其微小的尺寸和高导电性,碳纳米管被用作纳米电子学器件的组件,例如场效应晶体管、单电子晶体管、透明导电电极等。
其中,单壁碳纳米管(Single-Walled Carbon Nanotubes, SWCNTs)在电子学领域中表现出了极佳的性能,可以作为晶体管的理想替代品。
此外,由于碳纳米管的尺寸比传统的晶体管小得多,因此可以制造出更小、更高密度的电子元件,这对于集成电路的发展具有重要意义。
二、材料科学碳纳米管的高机械强度和抗拉性能使其成为理想的增强剂。
将碳纳米管与聚合物、金属和陶瓷等材料复合可以获得更高的强度和硬度。
同时,碳纳米管还可以用于制备高性能复合材料,例如碳纳米管增强的聚合物、金属基复合材料、陶瓷基复合材料等。
这些复合材料在航空航天、汽车工业、建筑业等领域中有广泛的应用。
三、生物医学碳纳米管在生物医学领域中也有重要的应用。
首先,碳纳米管可以用于生物成像,例如通过将碳纳米管表面修饰成与靶标分子特异性结合的生物分子,可以实现对细胞、组织和器官的高分辨率成像。
其次,碳纳米管还可以用于药物传递。
通过将药物包裹在碳纳米管内,可以提高药物的生物利用度和靶向性,从而实现更有效的治疗。
此外,碳纳米管还可以用于组织修复和再生。
将碳纳米管与生物材料复合可以促进细胞的黏附和增殖,从而促进组织的修复和再生。
四、其他领域除了电子学、材料科学和生物医学领域,碳纳米管还可以应用于许多其他领域。
例如,碳纳米管可以用于环境污染治理。
通过将碳纳米管与其他材料复合,可以制备出具有高效吸附和催化降解能力的复合材料,从而实现对污染物的治理。
碳纳米管综述

碳纳米管综述碳纳米管的研究进展自20世纪90年代初,日本NEC公司的Sumio Iijima 发现碳纳米管(CNT)以来,其特异的力学和电学性质引发了世界范围内的研究热潮,碳纳米管逐渐成为纳米材料中的明星,得到众星捧月般的关注。
当前,碳纳米管的研究还处在早期阶段,研究工作主要集中在它的生长和表征上,到碳纳米管产品大量投放市场还需要一段时间。
这并不奇怪,因为通常一种新兴事物从发现到投放市场需要10年左右时间。
人们将跨越碳纳米管的奇妙性质研究阶段,而着手解决从材料到器件、从器件到系统等诸多实际问题。
相信在不远的将来,碳纳米管会走进我们的日常生活,成为我们工作和生活中不可或缺的一部分。
我国的碳纳米管研究队伍十分庞大,从事碳纳米管研究的高校和科研院所不下50家,人数不下2000人。
国家有过部门高度重视碳纳米管研究,科技部973计划、863计划以及刚刚启动的纳米重大研究计划、国家自然科学基金、中国科学院等对此均有部署。
我国科研人员发表的相关学术论文逾4400篇,占纳米管论文总数的21%以上,这反映了国内碳纳米管研究的活力和实力。
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布满小洞样的缺陷。
碳纳米管一维狄拉克材料-概述说明以及解释
碳纳米管一维狄拉克材料-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述碳纳米管(Carbon Nanotubes,简称CNTs)是一种具有特殊结构和优异性能的纳米材料,被广泛认为是材料科学领域的研究热点之一。
碳纳米管由碳原子以一定的方式排列而成,形成了空心的管状结构。
其独特的一维结构使其具有许多特殊的物理性质和潜在的应用价值。
在过去几十年中,碳纳米管引起了广泛的关注和研究。
由于其高强度、高导电性和高导热性等优异性能,碳纳米管在材料科学、纳米科技、电子学等领域具有广泛的应用前景。
同时,碳纳米管还具有独特的光学性质和化学反应活性,使其在光电子学和催化剂等领域显示出巨大的潜力。
本文将重点介绍碳纳米管作为一维狄拉克材料的相关内容。
所谓狄拉克材料指的是具有狄拉克费米子(Dirac Fermions)特性的材料。
狄拉克费米子是一种具有质量零点能态的粒子,其行为类似于相对论中的狄拉克粒子。
碳纳米管的特殊结构和电子结构使其具备了类似狄拉克费米子的行为,因此被认为是一维狄拉克材料的代表。
文章的内容将包括碳纳米管的基本概念、制备方法和物理性质等方面。
同时,还将探讨碳纳米管作为一维狄拉克材料的意义,以及在科学研究和应用领域的前景。
此外,本文还将涉及碳纳米管研究所面临的挑战以及未来的发展方向。
通过对碳纳米管一维狄拉克材料的深入研究,我们可以更好地理解其独特的电子行为和物理性质,并且为其在纳米电子学、能源存储、生物传感等领域的应用提供基础。
同时,对于研究者而言,也能够促进对一维狄拉克材料的认识和理解,为材料科学的发展做出贡献。
尽管碳纳米管研究面临一些挑战和困难,但相信在不久的将来,通过持续的努力和研究,碳纳米管作为一维狄拉克材料的应用前景将会得到进一步的拓展和发展。
1.2 文章结构文章结构部分的内容:本文按照以下结构进行撰写和组织。
第一部分为引言,旨在介绍碳纳米管一维狄拉克材料的研究背景、意义和目的。
引言分为三个小节,分别是概述、文章结构和目的。
美国Hyperion Catalysis碳纳米管
Hyperion Catalysis International, Inc.美国Hyperion(海博龙) Catalysis International(HCI)是碳纳米管技术发展与商业化应用的世界领导者。
成立于1982年的海博龙最早开发了一种新颖结构和形态的碳,海博龙的旗舰技术是导电的、蒸发生长的多壁碳纳米管。
这些管的商品命名为FIBRIL™碳纳米管。
从1983年最初合成碳纳米管,海博龙全力专注于改进碳纳米管的结构技术和开拓各种应用领域。
海博龙现在可以提供塑料领域的碳纳米管及预混料,这些塑料与碳纳米管的复合材料已经商业化应用于不断增长的汽车与电子工业领域。
由于碳纳米管独特的结构,FIBRIL™碳纳米管也用于高附加值导电塑料制品。
另外, FIBRIL™碳纳米管的应用在不断地发展,并希冀开拓出广阔的、令人兴奋的市场。
我们真诚地欢迎您联系我们,探讨如何利用碳纳米管为您设计研发出杰出的产品。
碳纳米管在不同塑料中的分散非常困难,为了确保碳纳米管分散的一致与均匀性,获得高质量的产品,海博龙使用FIBRIL™碳纳米管只提供塑料领域的系列母料与专用料,客户需要其他形式的特殊产品,请与客服联系。
这些母料的重量浓度典型值为15-20%,使用时必须稀释到最终的浓度。
母料的稀释非常重要,须仔细而彻底,高粘度的母料与低粘度的稀释树脂会造成分散不均匀。
两相混合结构可以比喻成小“岛相”的母料分散在大“海相”树脂中,这些母料小岛是微米级尺寸的、球形的导电添加剂,而不是纳米级的、高长径比的纳米管。
中山百能思塑料科技有限公司Zhongshan BALANCE Plastics Science & Technology Co., Ltd.广东省中山市火炬开发区港义路1号公司网址: Hyperion Catalysis International is the world leader in carbon nanotube development and commercialization.The Leader in Nanotube Technology美国Hyperion(海博龙)----碳纳米管技术的世界领导者广州百能思化工科技有限公司Guangzhou BALANCE Chemical Science & Technology Co., Ltd.广东省广州市番禺区大石街朝阳东路166号公司网址:FIBRIL™碳纳米管母料系列产品ProductsAmorphousBase Resin Grade Name Polystyrene (PS) MB2020-00 Polycarbonate (PC) MB6015-00 Polyetherimide (PEI) MB8515-02 Semi-CrystallineBase Resin Grade Name Ethylene Vinyl Acetate (EVA)MB2525-00 Polypropylene (PP) MB3020-01 High Density Polyethylene (HDPE)MB3520-00 Polyethylene Terephthalate (PET)MB6815-00 Polybutylene Terephthalate (PBT)MB5015-00 Nylon (Polyamide) 6 (PA6)MB4020-00 Nylon (Polyamide) 6,6 (PA66)MB4620-00 Nylon (Polyamide) 12 (PA12)MB4220-00 Polyetheretherketone (PEEK) MB9015-00 Polyphenylene Sulfide (PPS)MB7015-00 FluoropolymerBase Resin Grade Name Ethylene Tetrafluoroethylene (ETFE)MB9315-00BALANCE®科技----专注于高分子材料助剂的应用技术服务宗旨:只为客户提供优质产品经营理念:品质源于专业,发展始于共赢FIBRIL™碳纳米管专用料系列Antistatic Grades have a volume resistivity of 10E8 to 10E10 ohm cm. Electrostatic Dissipative Grades have a volume resistivity of 10E4 to 10E6 ohm cm. Conductive Grades have a volume resistivity of 10E0 to 10E2 ohm cm.ProductsAmorphousResinGradeName Polycarbonate - Antistat Grade HC-609 Polycarbonate - Electrostatic Dissipative Grade HC-605 Polycarbonate - Conductive Grade HC-601 Polyetherimide - Antistat Grade HC-859 Polyetherimide Electrostatic Dissipative Grade HC-855 Polyetherimide Conductive Grade HC-851 Semi-CrystallineResinGradeName Polypropylene - Antistat Grade HC-309 Polypropylene - Electrostatic Dissipative Grade HC-305 Polypropylene - Conductive Grade HC-301 Polybutylene Terephthalate - Antistat Grade HC-509 Polybutylene Terephthalate - Electrostatic Dissipative Grade HC-505 Polybutylene Terephthalate - Conductive Grade HC-501 Nylon (Polyamide) 12 - Antistat Grade HC-429 Nylon (Polyamide) 12 - Electrostatic Dissipative Grade HC-425 Nylon (Polyamide) 12 - Conductive Grade HC-421 Nylon (Polyamide) 6,6 - Antistat Grade HC-469 Nylon (Polyamide) 6,6 - Electrostatic Dissipative Grade HC-465 Nylon (Polyamide) 6,6 - Conductive Grade HC-461 Polyphenylene Sulfide - Electrostatic Dissipative Grade HC-705 Polyphenylene Sulfide - Conductive Grade HC-701 Polyetheretherketone - Antistat Grade HC-909 Polyetheretherketone - Electrostatic Dissipative Grade HC-905 Polyetheretherketone - Conductive Grade HC-901 FluoropolymerResinGradeName Ethylene Tetrafluoroethylene - Electrostatic Dissipative Grade HC-935 Ethylene Tetrafluoroethylene - Conductive Grade HC-931 Polyvinylidene Fluoride - Electrostatic Dissipative Grade HC-325 Polyvinylidene Fluoride - Conductive Grade HC-321。
碳纳米管概述
碳纳米管概述1、碳纳米管的结构1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家Iijima[22]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 Nanotubes”,即碳纳米管(CNTs),又名巴基管碳.纳米管是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸可达微米量级)的一维量子材料,具有典型的层状中空结构特征,一般管的两端有端帽封口.碳纳米管的管身是准圆管结构,由六边型碳环结构单元组成,端帽部分为含五边形和六边形的碳环组成的多边形结构[23].碳纳米管可以只有一层也可以有多层,分别称为单层碳纳米管和多层碳纳米管.由于其独特的结构,碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值,如:其独特的结构是理想的一维模型材料;巨大的长径比使其有望用作坚韧的碳纤维,其强度为钢的100倍,重量则只有钢的1/6;同时它还有望用作为分子导线,纳米半导体材料,催化剂载体,分子吸收剂和近场发射材料等.科学家们还预测碳纳米管将成为21世纪最有前途的纳米材料,以碳纳米管为材料的显示器将是很薄的,可以像招贴画那样挂在墙上.碳纳米管依其结构特征可以分为三种类型:扶手椅型纳米管,锯齿型纳米管和手性纳米管.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型等.2、碳纳米管的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和高强度.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[24].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.3、碳纳米管的改性方法尽管碳纳米管有其优异的综合性能,但是因为碳纳米管具有较大的比表面积及表面自由能,管与管之间易团聚形成带有若干弱连接界面且尺寸较大的团聚体,从而在有机溶剂中的分散性较差,这些缺点限制了它的进一步广泛应用.特别是对于聚合物/碳纳米管复合材料而言,这些团聚体很难被分散开,容易形成应力集中点,从而导致材料的性能下降.同时碳纳米管与大多数聚合物相比,亲和性比较差,而且界面结合较弱.为了解决这些问题,我们必须对碳纳米管进行改性.改性的主要目的是降低它的表面能,提高它与有机相的亲和力.目前碳纳米管改性的方法通常分为两大类:一类是共价键改性,另一类是非共价键改性.本课题中共价键合CNT修饰一般是在CNT表面进行ATRP、NMP、RAFT及离子聚合等活性聚合、自由基聚合或化学改性以获得聚合物共价修饰的碳纳米管.非共价修饰CNT则主要基于聚合物和CNT间的三种不同相互作用方法展开研究:π-π作用,静电作用,物理包覆.聚合物修饰不仅改善了碳纳米管的分散性能,还赋予碳纳米管新的性能.3.1 碳纳米管表面共价键改性碳纳米管表面的共价功能化修饰的其中一种方法是对其侧壁进行氟化研究.被功能化的碳纳米管表面的氟原子可以通过亲核取代反应被取代,开辟了一条将不同的官能团引入到碳纳米管两端和表面的新路径.在碳纳米管修饰过程中的另一个突破性的发现就是浓酸氧化法,其方法是利用超声条件,在一定量浓度硝酸和硫酸的混合溶液中,使碳纳米管上修饰了羧基.这样剧烈的条件可以使碳纳米管的顶端以及管壁氧化开环,伴随着开环过程的发生,最终所得碳纳米管产物长度在100到300nm范围,管壁和顶端都修饰了一定密度的官能团,其中主要以羧基为主.在稍微弱一点的酸性环境中,比如在稀硝酸中回流,可以减少碳纳米管的断裂,开环主要发生在具有缺陷的位置,修饰后的碳纳米管依旧保持原有的电学和机械性质.对碳纳米管进行共价修饰通常可以利用碳纳米管表面的羧基.3.2 碳纳米管表面非共价改性碳纳米管管壁由SP2碳原子构成,具有高度离域的π电子体系,这些二电子可以与含有π电子的其他化合物通过π-π键作用来形成功能化的碳纳米管,同时疏水部分的相互作用及超分子包合作用也是非共价功能化的主要机理.通常碳纳米管的物理改性是在超声作用下,表面活性剂或聚合物等分子的疏水部分与疏水的管壁相互作用,而亲水部分与水等极性溶剂相互作用,从而阻止了碳纳米管在溶剂中的团聚.非共价功能化碳纳米管有其独特的优点:①不损伤碳纳米管的π电子体系;②有望将碳纳米管组装成有序网络.3.2.1 表面活性剂法在两性分子表面活性剂存在的条件下,可以制备出水溶性的碳纳米管.表面活性剂的憎水基团会在碳纳米管表面按一定的方向排列,而极性亲水性基团会在碳纳米管外表面与溶剂分子相互作用.M.F.Islam等发现通过十二烷基苯磺酸钠(NADDBS)、辛基苯磺酸钠(NAOBS)、苯甲酸钠(NABBS)、十二烷基硫酸钠(SDS)等表面活性剂物理吸附作用可以制备出水溶性碳纳米管.而且发现苯环和碳纳米管间的π-π配位作用可以增加表面活性剂在碳纳米管中的物理吸附能力;当端基相同时,烷基链较长的表面活性剂具有更好的吸附能力.范凌云等采用阴离子改性剂十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠在乙醇溶液中对碳纳米管表面进行改性处理,考察了不同表面改性剂对.PMMA/MWCNTs复合材料电性能的影响.研究发现经表面改性处理后的MWCNTs团聚体有了较大的改善,改性后的MWCNTs在复合材料中分散比较均匀,较大地改善了聚合物的电性能.3.2.2 聚合物包裹法通过π键作用,许多大分子质量的高聚物分子链能够缠绕、包覆碳纳米管表面,降低碳纳米管的范德华力,从而增加碳纳米管在溶剂中的溶解度.Curran等[25]测量了通过π-π相互作用的PmPv-MWCNTs复合材料的发光和光致导电性质.结果表明,其导电性较碳纳米管高8-10个数量级,并能提高发光二极管在空气中的稳定性.Connel等[26]通过非共价连接聚乙烯毗咯烷酮(PVP)和聚苯乙烯磺酸盐(PSS)于SWCNT上,实现了线型聚合物功能化,使其可溶于水.这类聚合物可紧密均匀的缠绕在SWCNT侧壁.实验证明,这种功能化的热力学推动力在于聚合物破坏了碳纳米管的疏水界面,消除了SWCNT集合体中管与管间的作用,通过改变溶剂系统还可以实现去功能化操作.因此线型聚合物的SWCNT 功能化方法可用于它的纯化分散,并可把SWCNT引入生物等相关体系.Star等制备了聚间苯亚乙烯衍生物,并用其对SWCNT进行非共价功能化修饰,然后用紫外-可见光(UV-Vis)、核磁(NMR)进行了表征,UV-Vis谱图表明,PmPv己经缠绕在碳纳米管表面,NMR谱图的共振位置也更加明确地解释了功能化的结合位置.他们进一步用原子力显微镜(AFM)对单根功能化SWCNT束进行了光电导及双光子荧光实验,结果表面,PmPV衍生物与碳纳米管表面之间接触紧密,功能化产物是聚合物缠绕的SWCNT束,而不是聚合物包覆的单根SWCNT后聚集成的束.3.2.3 双亲性聚合物改性碳纳米管两亲性聚合物是指在一个大分子中同时含有亲水基团和疏水基团的聚合物.两亲性聚合物具有独特的性能,如pH温度响应,自组装特性等,因此在众多领域具有潜在的应用前景.利用两亲性共聚物的自组装特性,将其与碳纳米管(CNT)结合,可赋予碳纳米管更加优异的性能.这些材料将在信息、生物医学、催化等领域得到重要应用.4、碳纳米管研究现状及发展前景谢续明等[27]利用苯乙烯类聚合物对分散碳纳米管进行了研究,如果以响应性聚合物修饰CNT则可以赋予CNT特定功和响应性.通常聚合物分散碳纳米管都在有机溶剂体系进行,溶剂的挥发性对人有伤害,且分散CNT长期稳定性欠佳.Hudson等[28]人制备了水溶性的碳纳米管,使得碳纳米管在水中分散稳定性得到明显提高.美国明尼苏达大学的Kang 和Taton等人[29]尝试在水溶液中设计新的方法分散CNT,用双亲性嵌段大分子PSt-b-PAA组装胶束来稳定碳纳米管,随后在胶束稳定的CNT溶液中加入交联剂使胶束发生交联进一步稳定CNT.这些研究解决了CNT 在水相的分散稳定问题,但在CNT外围富集的水溶性聚合物链使其电性能下降[30-31],影响其进一步的应用;而嵌段共聚物规模化制备较困难,外加交联剂使得体系复杂化.碳纳米管具有两个优异的电学性能即场发射性质和二重电性质.由于碳纳米管顶端可以做得极为尖锐,因此可以在比其它材料更低的激发电场作用下发射电子,并且由于强的碳碳结合键使碳纳米管可以长时间工作而不损坏,具有极好的场致电子发射性能,这一性能可用于制作平面显示装置使之更薄、更省电来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,单层碳纳米管还可以用作传感器.当半导体性的单层碳纳米管暴露于含有NO2或NH3的气氛中时其导电性会发生急剧变化,通过这种效应可以探测这些气体在某些环境中的含量,这种传感器的灵敏度要远远高于现有室温下的探测器.总之,碳纳米管在电子材料领域有广阔的应用前景.。
碳纳米管介绍
碳纳⽶管介绍碳纳⽶管的研究摘要:本⽂简要介绍了碳纳⽶管的发现、结构,重点介绍了其制备、性质、应⽤和研究热点关键词:碳纳⽶管;发现;制备;结构;性质;应⽤;研究热点Research of Carbon NanotubesAbstract: In this article, the discovery and structure of carbon nanotubes are breifly introduced, while the preparation, property, application and research hotspot are emphasised. Key words: Carbon Nanotubes; Discovery; Structure; Preparation; Property; Application; Research hotspot0 引⾔⾃1991年⽇本电⽓公司的S.Iijima(饭岛澄男)教授[1]发现碳纳⽶管(碳纳⽶管)以来,碳纳⽶管因其优异的⼒学、电学和光学性能受到了越来越多的关注。
碳纳⽶管是由碳六元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。
经过10多年的研究,碳纳⽶管的制备⽅法与表征⼿段逐渐完善,其产品开发和应⽤也取得了很⼤的进步。
⼈们对使⽤碳纳⽶管合成各种不同性能的应⽤材料的研究也在不断深⼊,主要包括电传导性、电磁性、结构加强材料、热分散性、光性能、复合电沉积、耐腐蚀、耐磨材料等。
碳纳⽶管在纳⽶电⼦器件、超强复合材料、储氢材料、催化剂载体等领域已有很⼤发展,在化学领域中也显⽰出许多独特的优点,引起了专家们的关注。
本⽂将着重介绍碳纳⽶管的性质及其应⽤。
1 碳纳⽶管的发现研究碳纳⽶管(Carbon Nanotubes,以下简称碳纳⽶管)的历史,可以追溯到1889年,⼀项专利阐明了如何制备⼀维碳纳⽶材料,产物中可能有碳纳⽶管。
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is the starting point of the growth of carbon nanotubes in the CCVD process. Due to the strong demand for this carbon nanotube in the market, Endo had to develop a continuous growth process of carbon nanotube, since the seeding method described above was a non-continuous method, and was unsuitable for industry-scale production. After a while, Endo managed to develop the continuous method called the floating reactant method.3) This method makes use of a vertical furnace, in which the metal catalyst, carbon source, and gases are fed from the top end of the furnace (Fig. 4). While the catalyst particles are floating, gradually falling inside the furnace, the tube growth and carbon deposition processes occur. This, at the bottom end of the furnace, results in the carbon nanotubes. This method was very effective for the
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Fig.1.
Schematic image of seeding-method-based fibrous carbon production setup.
Fig.2. Transmission electron microscope image of fibrous carbon grown by seeding method. An iron catalyst particle is observed at the tip of the inner tube.
The obtained fibrous carbon material had the carbon nanotube in the core, and deposited carbons on it (Fig. 2). The diameter of the fibrous carbon was several micrometers and the length was up to several centimeters. The metal catalyst particle was found in the core of the nanotube, proving that carbon nanotube growth started from the catalyst particle. Moreover, the catalyst particles were located at the tip of the tube. From these results, Endo proposed the tip-growth model of carbon nanotube. As shown in Fig. 3, carbon is supplied to the catalyst particle, and when the carbon is saturated, it starts to form the tubular carbon structure by using the spherical catalyst particle as a template. This growth lifts the catalyst particle upwards resulting in the image shown in the figure. We have to note that whatever the growth model is, be it tip growth or root growth, the catalyst particle
2. Methods of Preparing Carbon Nanotube: Historical View
The initial catalytic chemical vapor deposition (CCVD) method for producing carbon nanotube developed by Endo was a so-called seeding method.1) In this method, the substrate, dispersed with small metal catalysts such as iron particles, was set into the hotspot of the furnace under a constant flow of hydrocarbon such as benzene and hydrogen and argon mixture gas ( Fig. 1). The temperature of the furnace was around 1000ºC, and the fibrous materials grew on the surface of the substrate from the iron particle.
Printed with permission of The Institute of Pure and Applied Physics (IPAP)
JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS Vol.45, No.6A (2006) pp.4883-4892[Part1]
1. Introduction
After 30 years from their first synthesis by Endo in 19761) and 15 years from their detailed structural characterization by Iijima in 1991,2) carbon nanotubes have grown from a material of dreams to a “real-world” material that has already found its application fields. The production capability for carbon nanotubes is growing every year in an exponential degree, and as a consequence the price is steeply descending. This is leading to even more use of carbon nanotubes in various fields, such as composites, energy devices, electronic applications, and medical applications, to list a few. For novel applications of carbon nanotubes, the control of diameter, chirality, the number of layers and purity is crucial. However, at the moment, there is almost no control over these factors. Therefore, we need to address these issues to bring out the inherent potential of carbon nanotubes in full.
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JSAP International No.15 (January 2007)
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Substrate
Fig.3. Schematic image of tip-growth model. Carbon diffuses around the catalyst to form the tubular structure.
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Invited Review Paper
Development and Application of Carbon Nanotubes
Morinobu Endo, Takuya Hayashi, Yoong Ahm Kim and Hiroyuki Muramatsu
In this review, we introduce the production methods and applications of carbon nanotubes. Carbon nanotubes are now attracting a broad range of scientists and industries due to their fascinating physical and chemical properties. Focusing on the chemical vapor deposition (CVD) method, we will briefly review the history and recent progress of the synthesis of carbon nanotubes for the large-scale production and double-walled carbon nanotube production. We will also describe effective purification methods that avoid structural damage, and discuss the electrochemical, composite, and medical applications of carbon nanotubes. KEYWORDS:carbon nanotube, CVD, lithium ion batteries, electric double layer capacitors, nanocomposites