功能化碳纳米管全解

7C60和碳纳米管

C60，碳纳米管和石墨烯

※1985 发现了C60

※1991 发现了碳Nanotubes

※2004年发现了石墨烯

※在C60被发现之前,人们只知道以单质形式存在的碳的同素异形体有：金刚石、石墨和无定形碳。 1960年以来，就有人猜测过中空形碳素分子存在的可能性。C60是80年代中期新发现的一种碳原子簇，

它是单质，是石墨、金刚石的同素异形体。

石墨：2D ; SP2 杂化；层内为化学键，层间为范德华力；有导电性。

1980年英国Sussex大学的微波光谱学家Kroto教授通过研究星际云团和红巨炭星气团光谱中所见长链

聚乙炔信号的契机,巧合地通过美国Rice大学的Curl与该校的Smalley共同合作,利用Smalley所创制的激光气化超声束流仪进行了相应的探索性研究,1985年, Kroto等以联合装置中的质谱仪进行分析,首次发现了

质谱中存在着一批相应于偶数碳原子的分子的峰,导致了C60的发现。

富勒烯 C60 ：1996 Nobel Prize in Chemistry ※C60的结构研究表明, C60的直径为0.71 nm。中心有一个直径约0.36 nm的空腔，由12个五元环

和20个六元环组成的球形32面体。 C60的形状如足球的集束碳原子结构，就像美国未来派建筑学家Buckminser Fuller那充满灵性穹顶设

计的绝妙翻版，于是C60得到了巴基球的美称，又称足球烯.同时C60这类球状碳单质分子也被称作为富

勒烯。

※处于顶点的碳原子与相邻顶点的碳原子各用sp2杂化轨道重叠形成σ键，每个碳原子的三个σ键分

别为一个五边形的边和两个六边形的边。碳原子的三个σ键不是共平面的，键角约为118°，因此整个分子为球状。每个碳原子用剩下的一个p轨道互相重叠形成一个含60个π电子的闭壳层电子结构，因此在

近似球形的笼内和笼外都围绕着π电子云。分子轨道计算表明，足球烯具有较大的离域能。

C60 的表征：红外光谱，核磁共振，紫外-可见光谱及质谱。因其为二十面体对称，因此仅有四个红外振动带

碳纳米管表面处理方法

碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs）是一种具有管状结构的纳米材料，具有很高的比表面积、优异的导电性和力学性能，因此在各个领域有着广泛的应用前景。然而，碳纳米管的应用受到了其表面的独特结构和性质的限制，表面的氧化物团簇、导电性的不稳定性以及与其他物质的相互作用等都会影响其性能的表现。因此，为了完善碳纳米管的性能，提高其应用价值，需要对其表面进行处理。以下将介绍几种常见的碳纳米管表面处理方法。

1.助剂表面吸附法

助剂表面吸附法是一种简单有效的碳纳米管表面处理方法。通过将助剂分散在溶液中，碳纳米管与助剂之间会发生吸附作用，形成覆盖在碳纳米管表面的薄膜。常用的助剂包括聚合物、离子液体、金属络合物等。这些助剂可以降低碳纳米管表面的活化能，增强其与其他物质之间的相互作用，改善碳纳米管的分散性和稳定性。

2.酸、碱氧化法

酸、碱氧化法是一种常见的碳纳米管表面处理方法。通过将碳纳米管浸泡在酸、碱溶液中，碳纳米管表面的杂质和氧化物可以被去除或转化为可溶性物质，从而改善碳纳米管的纯净度和结构稳定性。酸、碱氧化法可以在一定程度上改善碳纳米管的分散性和可加工性，并提升其与其他物质的相互作用能力。

3.热处理法

热处理法是一种常见的碳纳米管表面处理方法，通过高温处理碳纳米管，可以去除表面的有机杂质，增强碳纳米管的晶格结构，并改善其导电性能。热处理法常用的温度范围为500-1000摄氏度，处理时间一般为1-2小时。然而，需要注意的是，高温处理过程中碳纳米管易发生失序、析碳等现象，因此需要控制好处理条件，以避免对碳纳米管结构和性能的不利影响。

4.功能化修饰法

功能化修饰法是一种常见的碳纳米管表面处理方法，通过在碳纳米管表面引入功能基团，改变其化学性质和物理性能，进而实现针对性的应用。常用的功能化修饰方法包括化学氧化、醇酰化、腈化等。功能化修饰可以改善碳纳米管的分散性和亲水性，增强其与其他物质的相互作用，拓宽其应用范围。

多壁碳纳米管的化学功能化改性及分散性研究

浙江理工大学学报，第２７卷，第５期，２０１０年９月　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｚｈｅｊ　ｉａｎｇ　Ｓｃｉ—Ｔｅｃｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　

Ｖｏ１．２７，Ｎｏ．５，Ｓｅｐｔ．２０１０　

文章编号：１６７３—３８５１（２Ｏ１０）０５—０７２５—０４　

多壁碳纳米管的化学功能化改性及分散性研究　

单燕君，张顺花　

（浙江理工大学先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室，杭州３１００１８）　

摘要：用硝酸和硅烷偶联剂（　ｙ－氨丙基一三乙氧基硅烷）依次对多壁碳纳米管（ＭｗＣＮＴｓ）进行了酸氧化处理和　硅烷化改性处理。采用Ｆ］＿、＿ＩＲ，ＥＤＳ，ＳＥＭ，ＵＶ对酸氧化和硅烷化后的ＭＷＣＮＴｓ进行了表征分析。结果表明：经硝　酸在１２０℃酸氧化处理后，ＭＷＣＮＴｓ的形貌发生明显变化，纳米管间的缠结减少；经硅烷偶联剂改性处理后的　ＭＷＣＮＴｓ表面接枝了官能团及低聚物；化学处理可改善ＭＷＣＮＴｓ的分散稳定性，ＭＷＣＮＴｓ悬浮液在静置２０　ｈ　后，其浓度仅降低不到５　。　关键词：碳纳米管；化学修饰；分散性能；机理　中图分类号：ＴＢ３３２　文献标识码：Ａ　

０　引　言　

碳纳米管是日本ＮＥＣ公司的Ｉｉｊｉｍａ发现的。据研究，碳纳米管的体积弹性模量达到０．１９ＴＰａ以上，杨　

氏模量达到０．９６　ＴＰａ以上，剪切模量０．５　ＴＰａ（与金刚石相当，约为钢的５倍），理论计算杨氏模量为　

１．８　ＴＰａ＿】　ｊ。断裂应变在５　～１Ｏ　，约为钢的６０倍，而密度仅为钢的１／６ｃ。　］。碳纳米管与聚合物复合后　

可增加聚合物材料的热导率、机械性能和电性能　］。由于碳纳米管具有的独特的机械性能、热性能和电性　

能，使其研究备受关注。碳纳米管聚合物复合材料的研究已经成为一个重要的领域，但在碳纳米管的应用过　

程中，存在着两个问题＿８］：ａ）碳纳米管容易形成团聚体，在聚合物基体中不容易分散．ｂ）碳纳米管与聚合物基　

体之间的作用力弱，不能有效提高复合材料的性能。而化学功能化改性是解决这两个问题的重要方法之一。　

多壁碳纳米管侧壁的功能化与表征

第３３卷第５期　２　０　０　６年１　０月　湖南大学学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）　ＶｏＩ．３３．Ｎｏ．５　Ｏｃｔ．２　０　０　６　

文章编号：１０００．２４７２（２００６）０５．００８７—０４　

多壁碳纳米管侧壁的功能化与表征　

陈宪宏ｔ　－一，陈小金　，钟文斌　，陈小华　，陈振华　

（１．湖南大学材料科学与工程学院，湖南长沙４１００８２，　

２．湖南省高分子材料应用技术重点实验室，湖南长沙４１０００１）　

摘　要：利用丁二酸酰基过氧化物分解产生的羧酸自由基与多壁碳纳米管（ＭｗＣＮＴｓ）　

进行自由基加成反应，对其侧壁实现羧酸化，并依次对其进行酰氯化、胺化处理，获得侧壁酰　

胺化的ＭＷＣＮＴｓ．采用ＦＴ—ＩＲ，Ｒａｍａｎ以及ＵＶ—Ｖｉｓ光谱对其进行了表征．结果表明：碳管　

表面接枝上了羧酸基团，且数量较纯化后的碳管有较大幅度的增加，表征其结构缺陷的　

Ｉ（Ｄ＋２Ｄ）／ＩＧ比值增加了０．２，同时酰胺化的ＭＷＣＮＴｓ紫外可见光谱在３２０　ｎｍ处出现了一　

ＣＯＮＨ一键的７ｒ一７ｒ＊跃迁的吸收峰．　

关键词：自由基加成；多壁碳纳米管；功能化　

中图分类号：ＴＢ３８３：Ｏ６１３．７１　文献标识码：Ａ　

Ｓｉｄｅｗａｌｌ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　

Ｍｕｌｔｉ—ｗａｌｌｅｄ　Ｃａｒｂｏｎ　Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ　

ＣＨＥＮ　Ｘｉａｎ—ｈｏｎｇｔ　・　。ＣＨＥＮ　Ｘｉａｏ—ｊｉｎ　。ＺＨＯＮＧ　Ｗｅｎ—ｂｉｎ　。ＣＨＥＮ　Ｘｉａｏ—ｈｕａ　。ＣＨＥＮ　Ｚｈｅｎ—ｈｕａ　

（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖ．Ｃｈａｎｇｓｈａ．Ｈｕｎａｎ　４１００８２．Ｃｈｉｎａ；　２．Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｈｕｎａｎ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ．Ｃｈａｎｇｓｈａ．Ｈｕｎａｎ　４１０００１．Ｃｈｉｎａ）　

碳纳米管的性能及其在海水淡化中的应用

摘要碳纳米管是近年来国内外广泛关注的一类纳米材料，具有一维特征孔道结构，能够有效促进液体分子的传输速率，是理想的海水淡化膜分离材料。通过将其引入到常用的海水淡化膜基质中，借以提高膜的分离性能，逐渐成为膜分离领域的一个研究热点。结了碳纳米管在反渗透、正渗透、膜蒸馏中的应用研究现状并分析了碳纳米管在反渗透、正渗透、膜蒸馏应用中的挑战，探讨了碳纳米管在海水淡化膜分离材料中的应用潜力。

１碳纳米管的结构与功能

Ｋｒｏｔｏ和Ｓｍａｌｌｅｙ于１９８５年首次发现了碳纳米管，直到１９９１年，由Ｉｉｊｉｍａ首次成功制备了碳纳米管。碳纳米管是一种由单层或多层石墨烯同轴缠绕而成的柱状或层套状的管状物，碳原子以ｓｐ２杂化为主并混有ｓｐ３杂化。碳纳米管性能优异，在微电子、生物医药和聚合物复合材料加固等方面应用潜力巨大。碳纳米管具有独特的本征空腔结构，输水能力超强，水分子在碳纳米管中的传输速度比理论计算的高出几个数量级。Ｈｕｍｍｅｒ等采用分子动力学模拟水分子在碳纳米管中的流动行为，并提出了水分子在碳纳米管中

的快速输送机理：首先，水分子在碳纳米管内部形成强力、规则的氢键，利于水分子快速通过；其次，碳纳米管内腔疏水、无极性，与水分子之间的相互作用非常弱，水分子能够无摩擦地通过碳纳米管。Ｔｈｏｍａｓ等通过研究水分子在不同直径和长度的碳纳米管内的传输动力学，证明碳纳米管的内径对水分子的传输速度起决定作用。随着内径的增大，水分子在碳纳米管中的构型逐渐由线性链变为堆叠五边形和六边形，最后成为无规则水流（见图１）。当碳纳米管内径为０．８３ｎｍ时，水分子成线性链，流速达到最大。脱盐效果优异是碳纳米管在膜分离技术应用中的另一个重要性能。碳纳米管的内径和尺寸排阻效应与毛细管行为的临界尺寸相当，能够在内壁形成能垒，只允许水分子通过，而水合离子则需要克服能垒后通过。碳纳米管的内径对离子截留率的影响至关重要，当内径由０．６６ｎｍ增大到０．９３ｎｍ时，脱盐率由１００％降低到９５％。研究者采用数学建模的方法确定出水分子与钠离子和氯离子的分离分界点尺寸是０．３４～０．３９ｎｍ，当碳纳米管内径在此范围时，水分子能够通过碳纳米管，而尺寸较大的钠离子和氯离子则被排阻在外。因此，碳纳米管作为聚合物膜改性材料提高通量和脱盐率，在动力学上是可行的，在膜分离领域中具有潜在的应用价值。

世界首个全功能性的纳米管装置

２００８年第１Ｏ期　

阵列，另一极是受主材料（ｐ型材料）氧化亚铜／－氧化钛混合物的纳米管阵列，Ｐ型和Ｉｉ型　

材料在半导体产业中非常普及。Ｇｒｉｍｅｓ的研究小组将钛溅射到表面制造ｎ型纳米管阵列，　

通过电流使钛经阳极电镀形成二氧化钛，然后将材料退火形成纳米管，利用同样的方法通过　

改变每种金属的比例来制成氧化亚铜／二氧化钛混合物的纳米管阵列。　

当二氧化钛吸收太阳光谱的紫外光部分时，许多Ｐ型材料在光线下不稳定，并被紫外光　

损坏。为了解决这个问题，研究人员通过加铁使得二极管的二氧化钛这一极对可见光透明，　并将这一极暴露在太阳光中。二氧化钛纳米管吸收３００￣４００ｎｍ范围的紫外光，光线到达铜／　

钛极，使这一极利用４００￣８８５ｎｍ的可见光。尽管光电转换效率很低，但Ｇｒｉｍｅｓ是采用这种　

方法的第一人，并且这种器件能够被优化。目前，Ｇｒｉｍｅｓ正在研究电镀的方法制造纳米管。　

科研人员制出首台全集成传感器电路　

来自美国能源部下属的劳伦斯伯克利国家实验室以及加州大学伯克利分校的研究人员　

历时２年，研制出了世界上第一个基于纳米线阵列的全集成传感器电路。用到的是硒化镉和　

锗硅两种纳米线，并且克服了生长衬底的局限，而以往光传感器只能与同种材料进行集成。　

制备方法重复性和可控性好，得到的电路中８０％具有光响应，而且偏差极小，这表明，该技　

术应用前景广泛。　

世界首个全功能性的纳米管装置　

据美国每日科学网报道，美国加州大学伯克利分校和伯克利实验室的研究人员通过打造　

世界首个全功能性的纳米管装置，成功建造了一个可以给金原子称重的纳机电系统（ＮＥＭＳ）。　

此成果发表在最新出版的《自然一纳米技术》杂志上。　

加州大学伯克利分校物理系和伯克利实验室材料科学部的物理学家亚历克斯・泽特尔负　

责此项研究。泽特尔说：“在过去的１５年左右，纳机电系统推动他们制造足够灵敏且足够小　

的装置，因此他们现在能解决给单个原子或分子称重的问题。”　

此新式纳机电系统质量传感器由单个碳纳米管组成，有双层壁，具有全部电子特性，且　

单壁碳纳米管的分散与分离方法研究

一、本文概述

随着纳米科技的快速发展，碳纳米管（CNTs）作为一种独特的纳米材料，因其优异的力学、电学和热学性能，在众多领域如能源、电子、生物医学等展现出广阔的应用前景。其中，单壁碳纳米管（SWCNTs）因其单一的管壁结构，使得其在这些性能上更为出色。然而，单壁碳纳米管的实际应用常常受限于其在水或其他溶剂中的分散性和稳定性，这主要源于其高比表面积和强的范德华力导致的强团聚现象。因此，探索和研究单壁碳纳米管的分散与分离方法，对于推动其在实际应用中的发展具有重要意义。

本文旨在深入研究和分析单壁碳纳米管的分散与分离方法。我们将首先回顾现有的分散技术，如表面活性剂包覆、聚合物分散、超声处理等，以及它们的优缺点。接着，我们将探讨新兴的分离技术，如密度梯度离心、凝胶电泳、场流分离等，以及它们在分离单壁碳纳米管中的应用和挑战。我们还将关注这些分散与分离方法在实际应用中的效果，以及它们在提高单壁碳纳米管性能方面的潜力。

通过本文的综述，我们期望能为研究者提供一个全面的视角，以了解单壁碳纳米管分散与分离方法的最新进展和挑战。我们也希望为实际应用中如何优化和选择适当的分散与分离方法提供一些有益的指导。

二、单壁碳纳米管的分散方法

单壁碳纳米管（SWCNTs）由于其独特的物理和化学性质，在材料科学、电子学、生物医学等多个领域具有广泛的应用前景。然而，由于其高的比表面积和强的范德华力，SWCNTs在溶液中易于团聚，从而影响了其性能和应用。因此，对SWCNTs进行有效的分散是发挥其性能的关键步骤。

目前，常用的SWCNTs分散方法主要包括物理分散法和化学分散法。物理分散法主要通过机械搅拌、超声波、球磨等方式，利用物理力将团聚的SWCNTs打散。这些方法虽然操作简单，但分散效果往往不够理想，且可能破坏SWCNTs的结构。

化学分散法则是通过化学手段改变SWCNTs表面的性质，从而达到更好的分散效果。常用的化学分散法包括表面活性剂包裹法、聚合物包覆法、共价修饰法等。表面活性剂包裹法是通过在SWCNTs表面吸附一层表面活性剂，改变其表面电荷和润湿性，从而阻止团聚。聚合物包覆法则是利用聚合物与SWCNTs之间的相互作用，形成一层稳定的包覆层，提高其在溶液中的稳定性。共价修饰法则是通过化学反应将官能团引入SWCNTs表面，改变其化学性质，从而实现更好的分散。在实际应用中，应根据具体的使用环境和需求选择合适的分散方法。为了获得更好的分散效果，往往需要结合多种分散方法，对SWCNTs进行多步骤的处理。分散后的SWCNTs还需要进行分离和纯化，以去除未分散的团聚体和杂质，得到高质量的SWCNTs分散液。

碳纳米管的特性及其分析应用

摘要

碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，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。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。本文着重介绍碳纳米管的特性及其在仪器分析中的应用。

关键词：碳纳米管；特性；仪器分析I一、引言

碳纳米管（CNT,又名巴基管，于1991年被日本电子公司（NEC的饭岛博士发现。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。由于其优异的力学、电学和光学特性，碳纳米管受到了越来越多的关注。随着时间的推移，CNT的制备与表征手段越发完善，由CNT制成的各种产品技术也趋于成熟。

二、碳纳米管的制备方法

其主要有三种制备方法：分别为电弧放电，激光蒸发法和碳氢化合物催化分解。

（一）电弧放电

电弧放电是指一般情况下由两个电极和它们之间的气体空间所组成电弧能产生高温。但又不同于一般的燃烧现象，它既没有燃料也没有伴随燃烧过程的化学反应。电弧放电实质上是一种气体放电现象，在一定条件下使两极之间的气体空间导电，是电能转化为热能和光能的的一种过程。该方法包括以下具体步骤：对碳纳米管直接施加电压和电流，进行电火花处理，去除碳纳米管表面的附着金属或氧化物催化剂和剥离沉积的非晶碳层，与此同时，切割、定向排列碳纳米管。本技术所采用的电火花处理可在空气中进行，也可在惰性气氛中进行。施加电压

可为直流也可为交流，电压10〜10 0伏，电流0〜10安培。本方法的优点在于能完全去除碳管表面用其它方法难以去除的非晶碳和金属杂质，达到纯化碳

纳米管的目的；另外，此方法还可切割碳纳米管，获得定向排列的碳纳米管。

（二）激光蒸发法

激光蒸发法是制备碳纳米管的一种有效方法•用高能 CC2激光或Nd/YAG激

光蒸发掺有催化剂的碳靶制备碳纳米管，管径可由激光脉冲来控制。激光脉冲间

碳纳米管气体传感器综述

科技信喜．　高校理科研究　

碳纳米管号体传感器综述　

华中科技大学　朱真乐　

［摘要］碳纳米管是一维纳米结构，具有表面吸附能力强，导电性良好和电子弹道传输特性等优势，这些力学、电学、物理和化学性　

能使得其成为制作纳米气体传感器的理想材料。运用碳纳米管制作的气体传感器具有灵敏度高、响应速度快、尺寸小和能在室温　

下工作等诸多优点，是很有前景的气体传感器。本文对碳纳米管气体传感器研究进行了综述，并对其研究及应用前景进行了展望。　

［关键词］碳纳米管　气体传感器　综述　

Ｏ．引言　，　

随着新一代信息技术的发展，互联网不断扩展和延伸，进而发展成　完备的物联网。物联网是当前较新的一个热点课题之一，而传感器能够　

为物联网实时地，按一定频率周期地采集环境信息，是物联网至关重要　

的组成部分。伴随着温室效应不断加深，气体传感器，特别是温室气体　

传感器，也扮演着越来越重要的角色。目前，金属氧化物半导体（ＭＯＳ）　

传感器和固态电解质（ＳＥ）传感器占据着气体传感器的绝大部分市场。　

但二者都需要在较高温度下工作，消耗功率大、灵敏度低、抗干扰能力　

较差，使用不便。碳纳米管（ｃＮＴｓ）气体传感器展现出比前两者更快的反　

应速度，更大的灵敏性，而且在室温下就能工作。由于碳纳米管存在较　

大的比表面积，对一些气体体现出吸附性质。在吸附气体之后，碳纳米　管在宏观上产生了可测量较大的电阻变化，这一性质使得碳纳米管制　

成气体传感器成为可能。在一定条件下，碳纳米管能够释放所吸附的气　

体，符合传感器反复使用的原则。　

１９９１年ｌｉ￣ｉｍａＩ　发现了碳纳米管，随后全球范围内后续大量的研究　

工作揭示了碳纳米管独特的电学、物理、化学和力学性能。随着纳米技　

术的发展，近年来发表了大量的有关碳纳米管气体传感器的研究报道，　并且已获得明显进展。本文对碳纳米管气体传感器研究的进展进行了　

综述。　

１．本征碳纳米管气体传感器　

本征碳纳米管的不Ｉ　拘螺旋性和直径决定了其电子结构，在室温　

羧基多壁碳纳米管

羧基多壁碳纳米管（carboxylated multi-walled carbon nanotubes，简称c-MWCNTs）是一种经过化学修饰的多壁碳纳米管。在原始的多壁碳纳米管（MWCNTs）基础上，通过强酸氧化等方法引入了羧基（-COOH）官能团，从而改善了其在水中或其他溶剂中的溶解性和分散性，并增加了与其他材料的反应活性。

由于羧基的引入，c-MWCNTs的表面性质变得更加亲水，这有助于它们在复合材料制备、生物医学应用以及传感器开发等领域的应用。例如，在聚合物基复合材料中，c-MWCNTs可以更均匀地分散在聚合物基质中，从而提高材料的机械强度和电导率。在生物医学领域，c-MWCNTs可以作为药物载体或用于组织工程支架的构建。

羧基化处理也使得碳纳米管更容易与其他功能分子结合，为制备具有特定功能的纳米材料提供了可能。然而，需要注意的是，羧基化过程可能会对碳纳米管的本征结构和电子性质产生一定影响，因此在实际应用中需要根据具体需求进行平衡和优化。