神奇的储氢材料——碳纳米管
Something about energy
1、化石能源短缺 石油、天然气、煤炭使用时间有限； 汽车、火车、轮船、飞机的大量普及…… 2、环境的要求：环境友好型 3、可持续发展的压力：节能环保
实现了氢能的普及，必将是人类历史的一大创举。
1、加氢站 2、燃料电池
3、航空航天领域
北京奥运会期间的氢能源公交车
1）1970年阿波罗登月飞船 使用液氢为燃料 2）我国长征三号系列火箭 液氢液氧为燃料
欧洲空中客车公司，美国波音公司等制定了氢气 内燃机的发展规划
燃料电池公共汽车（FCB） 1993年第一辆燃料电池大客车由加拿大巴拉德 公司开发成功。
活性炭 石墨纳米纤维
碳纳米管
78 65
200—400
4.2 常压
常压
6.8% 8.2%
8%
如果将某些金属与碳纳米管结合使用，即 将碳纳米管掺杂，储氢效果会更好。
下面是从文献中获取的部分数据：
在用碳纳米管存储氢气时，应该加大储氢压力， 并且适当降低存储温度为佳。需要选择合适的 优化组合方式，来达到效益最大化。
• 又叫巴基管，碳的同素异形体 • 由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成 的无缝、中空纳米管
单壁碳纳米管 直径为1-6 nm
多壁碳纳米管 直径nm → μm
CNT的性质
1、优异的学性能.
碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性， 可以拉伸。碳纳米管的长径比一般在1000:1以上，是理 想的高强度纤维材料。 碳纳米管的强度比同体积钢的 强度高100倍，重量却只有后者的1/6到1/7。碳纳米管 因而被称“超级纤维”。碳纳米管置于1000Pa的水压 下,碳纳米管被压扁,撤去压力后，碳纳米管像弹簧一样 立即恢复了形状，表现出良好的韧性。
体积密度需达到65%（氢气质量/系统体积）
目前的储氢材料都不能满足这一要求。
Carbon nanotube （ＣＮＴ）
由于纳米材料的研究热潮的带动，以碳和 纳米碳材料进行储氢成为新的研究热点。
纳米材料(1—100nm)的基本效应 1、小尺寸效应（体积效应） 2、量子尺寸效应 3、宏观量子隧道效应
2、优良的储氢性能.
碳纳米管的中空结构， 以及较石墨(0.335nm)略大的 层间距(0.343nm)，是具有更加优良的储氢性能，实 验结果表明, 混铜粉定向多壁碳纳米管电极的储氢量 是石墨电极的10倍, 是非定向多壁碳纳米管电极的13 倍, 比电容量高1625 mAh/g, 单位体积储氢密度为 39.8kg/m3,具有优异的电化学储氢性能。
储氢量与储氢压力（温度）关系图
氢气释放问题：
2005年7月26日,美国NIST和Turkey's Bilkent大学发 现,钛修饰碳纳米管可以解决有效储氢的两个关键 问题:不但能够吸附足够数量的氢分子,而且可以 在加热时轻易地释放． 研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带 式的储氢容器。
前 景 prospects
氢能的优越性
3、热能集中：氢氧焰火焰挺直，热损失小，利用效率高。 4、自动再生：氢能来源于水，燃烧后又还原成水。 5、来源广泛：氢气可由水电解制取，水取之不尽，而且 每千克水可制备1860升氢氧燃气。
最佳制备方式：
利用太阳能来分解水制氢气是最理想的途径
氢气的储存
1）加压气态存储 我国40L，15MPa存储约0.5公斤的氢，不到钢瓶的2%。加拿大已出现82MPa 的储氢压力容器。 能耗高，安全隐患
H2
储氢的基本原理：
碳纳米管是由石墨烯片层卷曲而成的无缝中空管状 物质，层间距为0.337nm，而氢气的动力学直径为 0.289nm，所以，氢气能够被这种片层卷积的物 质所吸附。总体而言，碳纳米管对氢气的吸附属 于物理吸附，
依靠分子间的范德华力来连接氢气分子与碳原子。 分子力的作用较小，吸附热较低，碳纳米管对氢 气的吸附可以产生多层吸附的特点。
全球燃料电池公共汽车量数
年份 累计数/辆
1993 1994 1 3
1996 5
1997 6
1998 14
1999 2000 16 22
2001 26
2002 31
hydrogen energy
氢能被人们称为理想的“绿色能源”
氢能的优越性
1、安全环保：氢气分子量为2，比空气轻1/14，因此氢气泄露 空气中会自动逃离地面，不会形成聚集。而其他燃油燃气均会 聚集地面而构成易燃易爆危险。无味无毒，不会造成人体中毒， 燃料产物仅为水，不污染环境。 2、高温高能：1kg氢气的热值为34000Kcal, 是汽油的三倍。氢 氧焰温度高达2800度，高于常规液体。
碳纳米管的优越性
碳质吸附储氢
氢气在碳质纳米材料中吸附储存主要是在活性炭和碳纳米 材料中的吸附存储。得出的结果是，单壁碳纳米管 （SWNT）、多壁碳纳米管（MWNT）、碳纳米纤维 （CNF）、碳纳米石墨等都可以作为储氢材料。
下面是几种碳质材料储氢性能比较：
几种碳质材料储氢性能比较
吸附材料 吸附温度(K) 吸附压力(MPa) 吸附容量
2）液化存储 热分层问题，上部由于氢的挥发导致上部氢温度低，下部温度高，从而产 生对流。 不能长期保持，每天蒸发损失1%-2%。
3）金属氢化物储氢
储氢机理： xM+yH2 -------- MxH2y
技术难点！！！
氢气的存储是氢经济发展的主要瓶颈
为了达到和现有燃油汽车相当的存储量，
氢气存储重量需达到6.2%（氢气重量/系统重量）
碳纳米管
碳纳米管简介潘春旭＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝武汉大学 物理科学与技术学院地址：430072湖北省 武汉市 武昌区 珞珈山电话：027-8768-2093(H)；8721-4880(O)传真：027-8765-4569E-Mail: cxpan@；cxpan@个人网页：/cxpan＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝1. 什么是碳纳米管？1991年日本NEC公司的饭岛纯雄(Sumio Iijima)首次利用电子显微镜观察到中空的碳纤维，直径一般在几纳米到几十个纳米之间，长度为数微米，甚至毫米，称为“碳纳米管”。
理论分析和实验观察认为它是一种由六角网状的石墨烯片卷成的具有螺旋周期管状结构。
正是由于饭岛的发现才真正引发了碳纳米管研究的热潮和近十年来碳纳米管科学和技术的飞速发展。
按照石墨烯片的层数，可分为：1) 单壁碳纳米管（Single-walled nanotubes, SWNTs）：由一层石墨烯片组成。
单壁管典型的直径和长度分别为0.75～3nm和1～50μm。
又称富勒管(Fullerenes tubes)。
2) 多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes, MWNTs）：含有多层石墨烯片。
形状象个同轴电缆。
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。
与多壁管相比，单壁管是由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。
无论是多壁管还是单壁管都具有很高的长径比，一般为100～1000，最高可达1000～10000，完全可以认为是一维分子图1 碳纳米管原子排列结构示意图2. 碳纳米管的独特性质1) 力学性能碳纳米管的抗拉强度达到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。
碳纳米管的特点
碳纳米管的特点
碳纳米管是由碳原子形成的细长管状结构，直径只有几纳米到几十
纳米，长度则可以达到数百微米。
它具有众多的特点，使得它成为当
今最受关注的材料之一。
首先，碳纳米管是一种非常强硬的材料。
其强度超过了钢铁，是同等
质量的钢材的100倍。
这种强度源于碳纳米管中的键结构。
碳原子之
间的键具有非常强的共价作用力，使得碳纳米管能够承受非常大的拉
力和压力。
其次，碳纳米管是一种非常轻的材料。
以直径1纳米的碳纳米管为例，它的质量只有钢铁的1/6，玻璃的1/3。
这种轻巧的特点使得碳纳米管
具有很好的可塑性和可加工性。
另外，碳纳米管是一种非常好的电导材料。
由于碳原子之间的键结构，碳纳米管能够有效地传导电子。
这种电导特性使得碳纳米管在电子学
领域具有广泛的应用前景，例如可制造出非常小型化的电子元件。
此外，碳纳米管还具有非常好的导热性能。
由于它的结构和电导特性，碳纳米管不仅可以传导电子，还可以传导热量。
这种特性使得碳纳米
管成为热管理材料的理想选择。
最后，碳纳米管还具有非常好的吸气和吸附能力。
由于其纳米尺度的
孔隙结构和大比表面积，碳纳米管能够吸附和存储气体、液体等物质。
这种特性使得碳纳米管在能源存储、环保等领域有着广泛的应用前景。
总之，碳纳米管具有强硬、轻巧、导电、导热以及吸附等众多的特点，使得它在诸多领域都具有广泛的应用前景。
随着新一代材料技术的发展，碳纳米管将会得到越来越广泛和深入的应用。
碳纳米管的性质与应用
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。
储氢材料
储 氢 材 料
The brief introduction of hydrogen storage materials
什么是储氢材料？
在一定的温度和压力条件下，能 可逆地吸收和释放氢气的材料，可 作为储氢材料。
储氢材料应具备的特点： 1、低释氢温度
2、吸收—放氢过程可逆
3、材料稳定，安全，无毒，低成本
储氢合金按组成元素的主要种类分为：镁系、稀土系、
钛系、锆系、铁系五大类。
按主要组成元素的原子比分为:AB5型、AB2型、AB 型、
A2B型，其中A是容易形成稳定氢化物的发热型金属元素，B 为难于形成氢化物的吸热型元素，且A原子半径大于B原子半 径。 A如：Ti、Zr、La、Mg、Ca、 Mm（混合稀土金属）等。
单壁纳米碳管束TEM 照片
多壁纳米碳管TEM 照片
2.2.2 碳纳米管材料的制备及研究方法 制备方法 电弧法 气相沉积法
低分子化合物
加载气（H2） 金属微粒催化剂
气相生长
1000~1400°C
碳纤维（或纳米管） 石墨化
2000~3000°C
表面处理
产品
石墨纤维 （或纳米管）
研究方法
有机液态氢化物主要包括苯、甲苯、萘等，人们现在主 要用苯及甲苯来储氢。
有机液体氢化物储氢的优、缺点
有机液体储氢技术与传统的储氢技术(深冷液化、金属氢化 物、高压压缩)相比具有以下优点：
①储氢量大 苯和甲苯的理论储氢质量分数分别为7.19%和 6.18%,比传统的金属氢化物、高压压缩的储氢量大得多。
MOF-5的吸附等温线78K
MOF-5的吸附等温线298K
温度、压力对其储氢性能的影响
碳纳米管
(B)热解法：这种方法也很简单，将一块基板放 进加热炉里加热至600℃，然后慢慢充入甲烷 一类的含碳气体。气体分解时产生自由的碳原 子，碳原子重新结合可能形成碳纳米管。
优点：最容易实现产业化，也可能制备很长的 碳纳米管。
缺点：制得的碳纳米管是多壁的，常常有许多 缺陷。与电弧放点法制备的碳纳米管相比，这 种碳纳米管抗张强度只有前者的十分之一。
初步估算，碳纳米管的强度大概是钢的100倍。 Lieber运用STM技术测试了碳纳米管的弯曲强度， 证明碳纳米管具有理想的弹性和很高的硬度。因此 用碳纳米管作为金属表面上的复合镀层，可以获得 超强的耐磨性和自润滑性，其耐磨性要比轴承钢高 100倍，摩擦系数为0.06～0.1，且还发现该复合镀层 还具有高的热稳定性和耐腐蚀性等性能。
（C）浓硝酸氧化法
将碳纳米管加入到浓硝酸中搅拌，超声波分散 后加热回流处理。自然冷却后用蒸馏水稀释、 洗涤至中性，经真空干燥、研磨后既得到纯化 处理的碳纳米管[14]。
优点：经过适当浓度硝酸氧化处理一定时间的 CNTs，其基本结构未发生本质变化，而表面 活性基团显著增加，在乙醇中分散浓度、均匀 性、稳定性得到提高，在复合材料中的分散均 匀性及与树脂的结合性能也得到相应提高。硝 酸氧化处理是CNTs表面活化的有效方法。
中美科学家在研究中对合成碳纳米管常用的化 学气相淀积方法进行了改进。改进结果显示，在化 学气相淀积过程中加入氢和另外一种含硫化合物后， 不仅能制造出更长的碳纳米管束，而且这些碳纳米 管束可由单层碳纳米管通过自我组装而有规律地排 列组成。
研究人员认为，他们的新方法作为一种更为简便 的替代工艺，也许还可以用来生产高纯度的单层碳 纳米管材料。
碳纳米管材料的介绍
碳纳米管材料的介绍碳纳米管是一种由碳原子构成的纳米材料，具有许多独特的性质和应用潜力。
它的发现引起了科学界的广泛关注和研究。
碳纳米管具有极高的强度和刚度。
由于碳原子之间的键合非常强大，碳纳米管能够承受很大的拉伸力和压缩力，使其具有很强的抗弯曲性能。
这使得碳纳米管成为一种理想的材料，用于制造轻巧但坚固的结构，如飞机和汽车部件。
碳纳米管具有优异的导电性和导热性。
碳纳米管内部存在着一维的碳原子排列，使得电子在其内部能够自由传输，形成了高效的电子输运通道。
因此，碳纳米管被广泛应用于电子器件领域，如晶体管和纳米电线等。
同时，碳纳米管还具有良好的热导性能，使其成为制造高效散热器和热电材料的理想选择。
碳纳米管还具有丰富的表面化学活性和高比表面积。
碳纳米管的表面可以通过化学修饰来引入不同的功能团，从而赋予其特定的化学性质和应用功能。
例如，通过在碳纳米管表面引入亲水性团体，可以制备出具有优异吸附能力的纳米过滤器。
而碳纳米管的高比表面积则使其成为一种理想的催化剂载体，可用于提高化学反应的效率和选择性。
碳纳米管还具有良好的光学性能和生物相容性。
由于碳纳米管具有一维结构，使得它们能够吸收和发射可见光和红外光。
这使得碳纳米管在光学传感器和光电器件领域具有广泛的应用前景。
此外，碳纳米管还具有良好的生物相容性，可以用于生物医学领域，如药物传递和组织工程等。
碳纳米管具有多种优异的性质和应用潜力，使其在材料科学、电子学、化学和生物医学等领域具有广泛的应用前景。
随着对碳纳米管性质和制备方法的深入研究，相信碳纳米管将会在未来的科技发展中发挥更加重要的作用。
碳纳米管简介
加强基础研究和创新能力
深入研究结构与性能关系
进一步揭示碳纳米管的微观结构和性 能之间的关联，为新应用提供理论支 持。
探索新的合成方法
加强跨学科合作
与化学、物理、生物等学科进行交叉 合作，拓展碳纳米管的应用领域。
开展新合成方法的研究，实现碳纳米 管的绿色合成和可控合成。
建立产业联盟和创新平台
促进产学研合作
导电材料
碳纳米管具有优异的导电性能，可作为复合材料的导电填料，提高材料的导电性能。
半导体领域
晶体管
碳纳米管具有优异的半导体性能，可 用于制造高性能晶体管，提高集成电 路的性能和集成度。
传感器
碳纳米管具有较高的化学敏感性和光 电响应性，可用于制造高性能传感器 ，用于环境监测、生物医学等领域。
纳米电子领域
碳纳米管的应用领域
电池领域
电池电极材料
碳纳米管具有优异的导电性能和比表 面积，可作为高性能电池电极材料， 提高电池的能量密度和充放电效率。
电池隔膜材料
碳纳米管具有较高的机械强度和化学 稳定性，可用于制造高性能电池隔膜 ，提高电池的安全性和稳定性。
复合材料领域
增强材料
碳纳米管具有优异的力学性能和化学稳定性，可作为复合材料的增强剂，提高材料的强度和韧性。
化学反应性
碳纳米管具有较高的化学反应性，可以在高温下与多种氧化剂反应，也可以在催化剂的作 用下进行加氢反应。此外，碳纳米管还可以通过表面修饰改性来提高其化学反应性和相容 性。
表面基团
碳纳米管的表面可以含有多种基团，如羧基、羟基、羰基和环氧基等。这些基团的存在会 影响碳纳米管的化学反应性和相容性。
稳定性
碳纳米管简介
汇报人： 2023-12-15
碳纳米管的应用领域
碳纳米管的应用领域
碳纳米管是一种由碳原子构成的管状结构材料，具有优异的物理、化学和机械性能，因此在多个领域都有广泛的应用。
以下是一些碳纳米管的主要应用领域：1. 电子学：碳纳米管具有出色的导电性和导热性，因此被广泛用于制造电子元件，如晶体管、传感器和电池等。
2. 能源：碳纳米管可以作为高效的催化剂，用于燃料电池和太阳能电池等能源转换装置中。
3. 材料科学：碳纳米管可以作为增强材料，添加到塑料、橡胶、陶瓷等材料中，以提高其强度、韧性和耐磨性。
4. 生物医学：碳纳米管可以作为药物载体和生物传感器，用于药物传递和生物分子检测等领域。
5. 环境科学：碳纳米管可以用于水处理和空气净化等领域，因为它具有优异的吸附性能，可以去除水中的有害物质和空气中的污染物。
总之，碳纳米管具有广泛的应用前景，它的出现为许多领域带来了新的机遇和挑战。
碳纳米管
e) Picture of a CNT and a polymeric sponge placed in a water bath. The CNT sponge is floating on the top while the polyurethane sponge absorbed water and sank to below the surface level. f) A CNT sponge bent to arch-shape at a large-angle by finger tips. g) A 5.5cm1 cm0.18cm sponge twisted by three round turns at the ends without breaking. h) Densification of two cubic-shaped sponges into small pellets (a flat carpet and a spherical particle, respectively) and full recovery to original structure upon ethanol absorption.
范守善院士
清华大学物理系
研究领域：近十余年的研究方向集中在纳米尺度材料的 科学与技术，主要研究方向为碳纳米管的生长机理、可 控制合成与应用探索。在深入揭示和理解碳纳米管生长 机理的基础上，实现了超顺排碳纳米管阵列、薄膜和线 材的可控制与规模化制备，研究并发现了碳纳米管材料 独特的物理化学性质，基于这些性质发展出了碳纳米管 发光和显示器件、透明柔性碳纳米管薄膜扬声器、碳纳 米管薄膜触摸屏等多种纳米产品，部分应用产品已具有 产业化前景，实现了从源头创新到产业化的转换。
碳纳米管的发展历程
碳纳米管的发展历程碳纳米管是一种极其重要的纳米材料，于1991年被发现，随着拓扑电子的出现，迅速成为了研究领域的热点，被誉为材料科学的“奥秘之子”。
在经过数十年的工艺改进和研究探索后，碳纳米管已经成为了许多领域的主流材料，是未来技术发展的重要推手。
一、碳纳米管的发现1991年，日本科学家伊吹丰文、田中章等人从石墨在石英管中的蒸发凝结过程中发现了碳纳米管。
经过进一步的分析和研究，他们发现这种管状物质是由单层或多层的石墨层叠组成的，而且长度非常长，直径约在5~10纳米之间，既具有晶体的长程周期性结构，又具有无限循环的曲线上升结构，可以用来解释许多神秘的负传输指数现象，被称为"万能线"。
二、碳纳米管的发展在碳纳米管的发现之后，科学家们开始了对它所具有的神奇特性进行进一步的研究和应用。
在1993年，美国的科学家就提出了一种可以制备出单壁碳纳米管的方法。
这种方法是将石墨和金属处理成溶液形态，然后用气体进行化学反应产生单壁碳纳米管。
1996年，奈米技術成为科技新热点，美国将其列入国家科技革新战略的重要内容之一。
碳纳米管成为国家重点研究的重要领域。
随着碳纳米管在材料科学领域的不断应用，其在药物传输、医疗、能源等领域都得到了广泛的应用。
通过纳米技术可以将药物包裹在碳纳米管里，改变药物在体内的分布和释放特性，增加疗效、降低用药剂量。
三、碳纳米管在未来的发展碳纳米管在未来的发展可以分为三个阶段：第一个阶段是进一步完善其工艺技术，提高其制备和组装技术，以及成品的品质和可靠性；第二个阶段是扩大其应用领域，在材料科学、生物领域等方面得到更广泛的应用；第三个阶段是开展碳纳米管的基础研究，寻求碳纳米管的更深层次的物理、化学和物性等研究。
总之，碳纳米管是朝气蓬勃的科技材料之一，它的应用前景非常广阔，值得科学家们继续探索和开发，并为人类的生活和社会进步做出不可磨灭的贡献。