碳纳米管
碳纳米管定义
碳纳米管定义
碳纳米管是一种由碳原子构成的纳米材料，具有管状结构。
它的直径通常在纳米尺度（纳米级别为1100纳米）范围内，
长度可以从纳米到微米级别。
碳纳米管的结构可以分为单壁碳
纳米管和多壁碳纳米管两种。
单壁碳纳米管由一个原子薄的石墨单层卷曲而成，形成一个
管状结构。
单壁碳纳米管的墙壁由碳原子构成，以六边形的芳
香环排列。
其典型特点是具有高强度、高导电性、高热导率和
良好的力学性能。
多壁碳纳米管由多个同心圆层组成，每个层均由碳原子六边
形结构构成，层与层之间的间距一般为0.34纳米。
多壁碳纳米管具有类似于单壁碳纳米管的特性，但其力学性能和导电性能
相对较差。
碳纳米管具有独特的物理和化学性质，广泛应用于材料科学、电子学、能源储存和传感器等领域。
由于其独特的结构和性能，碳纳米管在电子器件中可以用作纳米导线、场发射器件、纳米
传感器等。
此外，碳纳米管还被研究用于制备高性能锂离子电池、超级电容器和光催化材料等。
相信随着科学技术的不断发展，碳纳米管将在更多领域发挥重要作用。
碳纳米管简介
3）激光蒸发法. 这种方法是制备单壁纳米碳管的一种有效 方法。用高能CO2激光或Nd/YAG激光蒸发掺 有Fe、Co、Ni或其他合金的碳靶制备单壁纳 米碳管。用这种CO2激光蒸发法，在室温下 就可以得到单壁碳纳米管。
缺点： 单壁碳纳米管的纯度较低、易粘 结。
5.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。它是最强的纤维，在强度与重量之比 方面，这种纤维是最理想的。
2) 电学性能 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（碳纳米管 ）的管径大于6mm时， 导电性能下降；当管径小于6mm时，CNTs 可以被看成具有良好导电性能的一维量子 导线。
3) 热学性能 一维管具有非常大的长径比，因而大量热是 沿着长度方向传递的，通过合适的取向， 这种管子可以合成高各向异性材料。虽然 在管轴平行方向的热交换性能很高，但在 其垂直方向的热交换性能较低。适当排列 碳纳米管可得到非常高的各向异性热传导 材料。
4) 储氢性能 1997年，A. C. Dillon对单壁碳纳米管 (SWNT)的储氢性能做了研究，SWNT在0℃时 ,储氢量达到了5%。 DeLuchi指出:一辆燃料机车行驶500km,消耗 约31kg的氢气，以现有的油箱来推算，需 要氢气储存的重量和体积能量密度达到65% 和62kg/m3。 这两个结果大大增加了人们对碳纳米管储氢 应用前景的希望。
3.碳纳米管的分类
1)按形态分
普通封口型
变径型
洋葱型
海胆型
竹节型
2)按手性分
扶手椅型
锯齿型
碳纳米管
3.热学性能
由于碳管具有非常大的长径比，因而大量热是沿着长 度方向传递的，通过合适的取向，这种管子可以合成高各 向异性材料。 即在管轴平行方向的热交换性能很高，但在其垂直方 向的热交换性能较低。适当排列碳纳米管可得到非常高的 各向异性热传导材料。
四、碳纳米管的制备
CNTs的制备方法有多种，主要有电弧法，激光 蒸发法，化学气象沉积法等方法。这些方法分别在 不同的实验条件下可以得到MWNT和SWNT。
基本原理： 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。 理想的工艺条件：氦气为载气，气压 60—50Pa，电 流60A～100A，电压19V～25 V，电极间距1 mm～4mm， 产率50％。Iijima等生产出了半径约1 nm的单层碳管。
五、纳米管结构的表征：
扫描隧道显微镜 X射线衍射
电子显微镜
拉曼光谱
1.电子显微术
利用不同的电子显微术，可以非常详细地研究碳 纳米管结构，确定其生长机制，反过来又可以帮助人 们改进碳管的生长过程，或者去修饰他们的结构。 利用扫描电子显微镜（SEM）可以获得单壁碳纳 米管管束的图像。透射电子显微镜（TEM）对于碳纳 米管结构的研究更为有用。TEM是一种强有力的技术， 可以确定碳纳米管管壁的层数，还可以准确测量管径 和确定碳管结构中的缺陷。
饭岛澄男 S.Iijima
将这些针状产物在高分辨电子显微镜下观察， 发现该针状物是直径为4～30纳米，长约1微米，由 2个到50个同心管构成，相邻同心管之间平均距离 为0.34纳米。
单壁碳纳米管
多壁碳纳米管
进一步实验研究表明，这些纳米量级的微小管状结构是由碳 原子六边形网格按照一定方式排列而形成，或者可以将其想象成 是由一个六边形碳原子形成的平面卷成的中空管体，而在这些管 体的两端可能是由富勒烯形成帽子。这就是多壁纳米碳管。 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 纳米碳管，即单壁碳纳米管产物。
碳纳米管吸附原理
碳纳米管吸附原理
碳纳米管是一种由碳原子构成的纳米尺寸的管状结构。
碳纳米管具有高强度、高导电性和高导热性等特点，因此被广泛应用于吸附材料的研究领域。
碳纳米管的吸附原理主要有以下几个方面：
1. 表面积效应：碳纳米管具有非常高的比表面积，可以提供大量的吸附活性位点，使其有更高的吸附能力。
这是因为纳米管具有纳米级的空隙和通道，更多的活性位点可以与吸附分子发生相互作用。
2. π-π堆积效应：碳纳米管的构造使其具有良好的π电子体系，可以与含有芳香环结构的吸附分子发生π-π堆积作用。
这种堆
积作用可以增强吸附分子与碳纳米管之间的相互作用力，从而提高吸附效果。
3. 范德华力：碳纳米管表面上存在范德华力，这种力可以从长距离上吸引吸附分子，并将其紧密地吸附在管表面上。
范德华力是一种弱作用力，但由于碳纳米管具有大量的吸附位点，因此可以累积起来，形成较强的吸附效果。
4. 其他作用力：除了上述几种作用力之外，碳纳米管的表面还可能存在静电作用力、氢键作用力等其他吸附相互作用。
这些作用力都可以对吸附分子发挥一定的吸引力，增强吸附效果。
总的来说，碳纳米管的吸附原理是多种相互作用力的综合效应。
通过利用碳纳米管的高比表面积和特殊结构，可以实现对各种不同物质的高效吸附。
这种吸附特性使碳纳米管在环境污染治理、能源储存和分离等领域具有重要的应用前景。
碳纳米管相对分子质量
碳纳米管相对分子质量
碳纳米管（Carbon Nanotube，CNT）是一种具有特殊结构的一维量子材料，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0.34nm，直径一般为2~20 nm。
每个碳原子采取sp2杂化，相互之间以碳-碳σ键结合起来，形成由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架。
相对分子质量是化学物质相对一个分子质量的量，与碳纳米管相关的质量单位有“道尔顿”（Da），用于表示碳纳米管的相对分子质量。
总之，相对分子质量与碳纳米管本身的结构、化学键和物理性质有关，具体数值可能会因制备方法、纯度、规格等因素而有所不同。
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
碳纳米管概述碳纳米管是一种由石墨碳原子结晶而成的无缝、中空的管状纳米碳材料，可以看作是由石墨烯层卷起来的直径只有几纳米的微型管体，管的一端或两端由富勒烯半球封帽而成。
根据碳纳米管中碳原子层数不同，将碳纳米管分为单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT）两种。
单壁碳纳米管由单层石墨卷成，管径为1-6Na，具有很高的长径比，是结构完美的单分子材料。
多壁碳纳米管可看作由多个不同直径的单壁碳纳米管同轴套构而成，层间距均为0.34Na。
主要性能1、优异的力学性能由于碳纳米管的结构与高分子材料的结构相似，但碳纳米管的结构更稳定，且具有超高的长径比，所以，碳纳米管具有超高的抗拉强度、良好的柔韧性和弹性。
碳纳米管的抗拉强度是钢的100倍，弹性模量是钢的5倍，而密度只有钢的1/6。
碳纳米管在被压扁后撤去压力，可以象弹簧一样立即恢复原状。
2、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，且随着碳纳米管管径的减少表现出更好的导电性能，最高可以达到金属铜的电导率的一万倍。
据称，当管径小于6Na时，碳纳米管可看成是一根量子导线；当管径小于0.7Na时，碳纳米管在低温条件下具有超导性能。
3、良好的传热性能由于碳纳米管具有超高的长径比，沿其长度方向具有很高的热交换性能，而沿其径向方向热交换性能较低，所以，利用碳纳米管可以合成各向异性的热传导材料。
此外，碳纳米管具有较高的热导率，只要在其它材料中掺入少量碳纳米管，就可以大大提高复合材料的热导率。
4、优异的光学性能碳纳米管具有光学偏振性、光学各向异性、电致发光性及对红外辐射异常敏感等性能。
5、良好的电磁性能碳纳米管的尖端具有纳米尺度的曲率, 在相对较低的电压下就能够发射大量的电子, 呈现出良好的场致发射特性。
6、其它性能碳纳米管还具有熔点高（据称是已知材料中熔点最高的）、吸附能力强、催化催催化性能、宽带微波吸收能力强等性能主要应用1、用于制备碳纳米合成材料，如高强度复合材料、导电塑料、电磁干扰屏蔽材料、隐形材料、暗室吸波材料等。
碳纳米管
碳纳米管是由单层或多层石墨片围绕同一中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管结构，两端通常被由五元环和七元环参与形成的半球形大富勒烯分子封住，端口的结构遵循鼎足五边形定则和欧拉定理。
端帽大部分都被认为是在六方网格状的碳纳米管中掺杂着五元环或者七元环的拓扑缺陷。
每层纳米管的管壁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网络平面所围成的圆柱面(图1)。
CNT根据管状物的石墨片层数可以分为单壁碳纳米管(SWNTs) 和多壁碳纳米管(MWNTs)。
图1SWNT的结构示意图(1)单壁碳纳米管的结构单壁碳纳米管在概念上可被认为是卷起来的单层石墨烯，直径大小分布范围小、缺陷少，具有更高的均匀一致性，是理想的分子纤维。
SWNT的管径一般为0. 7～3. 0 nm，长度为 1～50 μm，是一种理想的纳米通道，可用作储氢材料、半导体及场发射材料等。
SWNT可看做是由单层石墨烯片卷曲成的，在石墨烯片层卷成圆柱体的过程中，边界上的悬空键随即结合，从而导致碳纳米管轴方向的随机性。
在一般的碳纳米管结构中，碳原子的六边形格子是绕成螺旋型的，碳纳米管具有一定的螺旋度，如果将SWNT的石墨烯面沿纵向展开，就呈现类似于石墨烯面的二维几何形态。
碳纳米管的结构参数都能够由( n，m) 指数来确定。
不同的( n，m) 对应不同的手性矢量、手性角、卷曲方式、直径和周长等结构参数。
根据卷起的方向矢量(n，m)不同，SWNT 大致可呈现金属性(n－m = 3k，k为整数，无能隙)或半导体性(n－m ≠ 3k，k为整数，有能隙)。
根据折起的外部形态的不同，SWNT可分为扶手椅式、锯齿式和手性式。
通常，当m=n 时，称为扶手椅型管; 当 m=0 时，称为锯齿型管; 其他则一般称为手性管。
图2 几种不同类型的单壁碳纳米管(2)多壁碳纳米管的结构MWNT是由几层到几十层石墨烯片同轴卷曲而成的无缝管状物。
其层数从2到50不等，层间距为±nm，与层间距 nm的石墨相当，且层与层之间排列无序。
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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。
Adv. Mater. 2010, 22, 617–621
解思深院士
中国科学院物理研究所
主要研究方向： 1．纳米碳管及其它一维纳米材料阵列体系的制备 方法研究，模板生长和可控生长机理研究； 内嵌或外包附及金属掺杂的研究。 2. 纳米碳管及其它一维纳米材料阵列体系的的结构 和谱学研究。 3．纳米碳管及其及其它一维纳米材料、阵列体系的 物性研究。 4．纳米碳管及其它一维纳米材料作为复合材料中加 强材料的应用，界面结构和性质研究。
刘忠范院士
北京大学化学与分子工程学院 （纳米化学研究中心）
研究兴趣：主要从事纳米化学和纳米结构器件研究， 近年来在碳纳米管电子学的材料与器件基础、基于 扫描探针技术的超高密度信息存储研究方面取得一 系列成果。
课题组成员：张 锦
1）低维纳米材料的可控生长和化学合成: 主要利用化学气相沉积（CVD） 技术和化学合成等手段，发展纳电子器件、分子电子器件用新材料。 2) 纳米材料与纳米结构的制备、组装、表征、性能及其应用研究
CNT应用及理论
储氢材料
➢ 人类社会发展所使用的主要能源
煤炭→石油→天然气→？
➢ 氢能特点 ➢ 目前主要的氢气存储方法
金属氢化物、液化、高压储氢及有机氢化物 储氢
➢ 碳纳米管储氢特点 ➢ 影响因素
管径、管间距、管束直径
CNT应用及理论
储氢材料
1997年，AC Dillon等报道了单壁纳米碳管的 中空管可储存和稳定氢分子，引起广泛关注，相关 的实验研究和理论计算工作也相继展开，初步结果 表明：纳米碳管是一种很有发展前途的储氢材料。 单壁纳米碳管的吸氢过程研究发现，氢以很大密度 填充到单壁纳米碳管的管体内部以及单壁纳米碳管 束之间的孔隙，因此单壁纳米碳管具有极佳的储氢 能力，据推测单壁纳米碳管的储氢量可达10％（重 量比）
它方法
03
■微波等离子化学蒸发法 ■微孔模板法 ■太阳能法
国内碳纳米管批量制备情况
深圳纳米港有限公司: 成立于2001年,是国内最早从 事碳纳米管开发和生产的高科技企业。
在国际上首次成功实现碳纳米管的连续化批量产， 年产碳纳米管可达5－10吨，成为亚洲最大的碳纳 米管生产基地，产量居世界前列（2001年数据）。
单壁碳纳米管 直径为1-6 nm
多壁碳纳米管 直径nm → μm
背景介绍
按手性分：
通常依照n ，m 的相对关系，将单 壁碳纳米管分为 achiral 和 chiral 两个基本类型。
Achiral 型又分为zigzag （锯齿
型）和armchair（扶手椅型） 两
类。当n 和m 其中之一为0 时，为
碳纳米管(CNTs)制备及其应用
Contents
目录
1 CNT背景情况介绍及其制备 2 CNT自身理论及应用 3 CNT复合材料
纳米碳管研究是富勒烯的 继续.1991年，NEC公司的 S.Iijima在高分辨电子显微 镜下观察采用电弧法制备 的富勒烯中发现了多壁纳 米碳管(MWNT),直径为430nm，长度为1um。
Fig. 2. TEM images of the MWNTs/PSPEO at lower (a) and higher (b) magnifications
CNT应用及理论
超级电器
超级电容器
双电层电容
法拉弟准电容
比表面积大（250-3000m2/g) 碳纳米管电容量可到每克15-200F，目前数千法拉的电容器已被生产 单壁碳纳米管电容量一般为180F/g，多壁碳纳米管电容量一般为102F/g 单壁碳纳米管电容器功率密度可达20KW/kg，能量密度可达7Wh/kg
CNT的基本性质：
高的机械强度和弹性。
强度≥100倍的钢，密度≤1/6倍的钢 优良的导体和半导体特性。量子限域所致 高的比表面积。 强的吸附性能。 优良的光学特性
发光强度随发射电流的增大而增强。 ……………
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。它是最强的纤维，在强度 与重量之比方面，这种纤维是最理想的。
北京大学李彦教授
本课题组主要从事碳纳米管的制备、修饰、表征和应用 的研究。发展碳纳米管的可控制备方法，通过化学修饰 和复合对碳纳米管进行进一步的性能调控，同时发展相 应的表征技术以满足可控制备和修饰研究的需求，并探 索基于碳纳米管的材料在纳电子、能源及生物医学等方 面的应用。
沈阳金属所成会明教授 先进炭材料研究部
主要研究领域是先进炭材料及新型能源材料，重点 开展纳米碳管的制备方法、结构与性能、应用探索， 新型储氢材料，新型储能材料等方面的研究工作。
国家重点基础研究规划（973）项目首席科学家、 863计划新材料领域特种功能材料技术主题组专家、 国家杰出青年基金获得者；国际刊物《Carbon》主编、 《新型炭材料》主编
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)，是否具有更加优良的储氢性能， 也成为科学家们关注的焦点。
1997年，A. C. Dillon对单壁碳纳米管(SWNT)的 储氢性能做了研究，SWNT在0℃时,储氢量达到了5%。
Declutch指出:一辆燃料机车行驶500km,消耗约 31kg的氢气，以现有的油箱来推算，需要氢气储存的重量 和体积能量密度达到65%和62kg/m3。
1993年发现单壁碳纳米 管(SWNT),直径0.4nm4nm，长度可达几微米
图a，b分别是多壁，单壁碳纳米管示意图，图c是碳纳米管的放大电镜图
背景介绍
碳纳米管分类：
碳纳米管按照石墨烯片的层数分类可分为：单壁碳纳米 管（SWNTs）和多壁碳纳米管（MWNTs），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。
背景介绍
碳纳米管的表征
碳纳米管的原始状态：团聚状态，束状
背景介绍
碳纳米管的表征
有机DMF（N，N-二甲基甲酰胺）中超声分散后碳纳米 管的SEM（左）与TEM（右）
01
碳纳米管 的生产方 法简介
02 03
04
■石墨电弧法 ■浮动催化法（即碳氢化合物催化分解法，又称CVD法） ■激光蒸汽法 ■燃烧火焰法
南昌大学机电工程学院曾效舒教授 公司生产碳纳米管及石墨烯
清华化工系魏飞教授组
天奈公司(Cnano)：技术支持-清华化工系魏飞教授组 利用纳米聚团床反应器技术，成功设计出低成本、 大批量制备碳纳米管的工艺流程，目前已形成 日产360公斤、年产120吨、纯度高达80％以上的 多壁纳米管生产能力。
注重基础研究与产业化结合
技术支持：中科院成都有机所于作龙研究小组（催 化）
中科时代纳米公司
中科时代纳米公司（中科院成都有机所）产品： 单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、 工业级多壁碳纳米管
石墨烯、碳纳米管分散液及浆料、碳纳米管填料、 碳纳米管功能母粒、碳纳米管环氧复合物
高纯度（>90wt%）单壁碳纳米管的生产能力已达到100kg/a， 多壁碳纳米管（直径:20-30nm,纯度:>95%）的生产能力已达 到30T/a。
zigzag 型；当n=m 时为armchair
型；其它所有情况都称为chiral 型( 手性管）。
Armchair (n,m)=(5,5)
Zigzag (n,m)=(9,0)
背景介绍
按形态分：
普通封口型 变径型 洋葱型
海胆型
竹节型
念珠型
纺锤型
螺旋型 其他异型
背景介绍
纳米管结构的表征：
扫描隧道显微镜 X射线衍射 孔结构及比表面积 电子衍射 拉曼光谱
力学性能：
碳纳米管力学性质
力学性能：
各种型号的CNT的价格，形状，性能
优异的化学稳定性（C-C键，无悬空键）
碳纳米管具有化学惰性，经历充放电不发生化学作 用。因此，数据保存在这样的一个存储器中可以拥 有更长的保存时间。