碳纳米材料范文

碳纳米材料范文碳纳米材料范文 碳纳米管材料1碳纳米管的发现1991年 日本NEC科学家Iijima在制 取C60的阴极结疤中首次采用高分辨隧道电子显微镜 HRTEM 发现一 种外径为515nm 内径213nm 仅由两层同轴类石墨圆柱面叠合而成 的碳结构 进一步的分析表明 这种管完全由碳原子构成 并看成是由单层石 墨六角网面以其上某一方向为轴 卷曲360 而形成的无缝中空管 相邻管子之间的距离约为0 34nm 与石墨中碳原子层与层之间的距 离0 335nm相近 所以这种结构一般被称为碳纳米管 这是继C60之 后发现的碳的又一同素异形体 是碳团簇领域的又一重大科研成果 1 2碳纳米管的结构碳纳米管 T 又名巴基管 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 它是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷绕而成的无 缝 中空的 微管 每层由一个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳 原子完全键合后所构成的六边形组成的圆柱面 根据形成条件的不同 碳纳米管存在多壁碳纳米管 MWNTs 和单壁碳 纳米管 SWNTs 两种形式 MWNTs一般由几层到几十层石墨片同轴卷绕构成 层间间距为0 34nm 左右 其典型的直径和长度分别为2 30nm0 1 50 m SWNTs由单层石墨片同轴卷绕构成 其侧面由碳原子六边形排 列组成 两端由碳原子的五边形封顶 管径一般从10 20nm 长度一般可达数十微米 甚至长达20cm 2 3碳纳米管的活化一般认为 在碳纳米管表面引入一些电活性基团 经过活化才能有较好的电化学响应 活化的方法一般分为两类 在制成电极前对碳纳米管进行活化 包 括在气相中用空气或等离子体氧化或用酸 主要是浓HNO3 氧化 以浓HNO3处理碳纳米管的方法是将碳纳米管在浓硝酸中浸泡10小时 后 100 浓硝酸回流5 6小时 再将得到的悬浊液离心分离 烘干 得到粉末状开管硝基化的碳纳 米管 取1mg分散至3ml的N N 二甲基甲酰胺 DMF 中 超声分散15分钟 备用 制成电极后 用电化学方法进行活化 即将碳纳米管电极在一定 溶液中 如磷酸盐缓冲溶液 于一定电位范围内循环扫描 经过活化以后 根据所用介质的不同 可以在碳管表面引入含氧 甚至含硫的基团 一般包括羟基 羰基 羧基 酚类和醌类化合物 等 这些电活性基团可以催化或促进其他物质的电子传递反应 4碳纳米管的性质4 1奇异的导电性碳纳米管的性质与其结构密切相 关 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Ts的管径大于6mm时 导电性能下降 当管径小于6mm时 Ts可以 被看成具有良好导电性能的一维量子导线 4 2优异的力学性质除了奇特的导电性质之外 碳纳米管还有非凡的 力学性质 理论计算表明 碳纳米管应具有极高的强度和极大的韧性 由于碳纳米管中碳原子间距短 单层碳纳米管的管径小 使得结构 中的缺陷不易存在 因此单层碳纳米管的杨氏模量据估计可高达5太 帕 其强度约为钢的100倍 而密度却只有钢的1 6 因此 碳纳米管被认为是强化相的终极形式 人们估计碳纳米管在 复合材料中的应用前景将十分广阔 4 3良好的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 纳米管的横向尺寸比多数在室温至150 电介质的品格振动波长大一 个量级 这使得弥散的纳米管在散布声子界面的形成中是有效的 同时降低了导热性能 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 4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 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 S WNT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 5碳纳米管的应用由于碳纳米管具有优良的电学和力学性能 被认为 是复合材料的理想添加相 碳纳米管作为加强相和导电相 在纳米复合材料领域有着巨大的应 用潜力 5 1电化学器件碳纳米管具有非常高的比表面积 导电性能和良好的 机械性能 是电化学领域所需的理想材料 碳纳米管电容器具有非常好的放电性能 能在几毫秒的时间内将所 存储的能量全部放出 这一优越性能已在混合电力汽车中开始实验 使用 由于可在瞬间释放巨大电流 为汽车瞬间加速提供能量 同时也可 用于风力发电系统稳定电压和小型太阳能发电系统的能量存储 锂离子电池是碳纳米管应用研究领域之一 碳纳米管锂离子电池容量大 放电速度快 充放电容量达到1000mA h g 大大高于石墨 372mA h g 和球磨石墨粉 708mA h g 5 2氢气存储碳纳米管储氢是具有很大发展潜力的应用领域之一 室 温常压下 约2 3的氢能从碳纳米管中释放出来 而且可被反复使用 碳纳米管储氢材料在燃料电池系统中用于氢气存储 对电动汽车的 发展具有非常重要的意义 可取代现用高压氢气罐 提高电动汽车 安全性 5 3场发射装置学术和工业界对碳纳米管电子器件的研究主要集中在 场发射管 电子枪 其主要可应用在场发射平板显示器 FED 荧光灯 气体放电管和微波发生器 碳纳米管平板显示器是最具诱人应用潜力和商业价值的领域之一 5 4碳纳米管场效应晶体管碳纳米管场效应晶体管的研制成功有力地 证实了碳纳米管作为硅芯片继承者的可行性 尤其是目前 在科学家再也无法通过缩小硅芯片的尺寸来提高芯片 速度的情况下 纳米管的作用将更为突出 5 5碳纳米管修饰电极碳纳米管对生物分子活性中心的电子传递具有 促进作用 能够提高酶分子的相对活性 与其它碳电极相比 碳纳米管电极由于其独特的电子特性和表面微 结构 可以大大提高电子的传递速度 表现出优良的电化学性能 蔡称心等 4 报道了HRP在碳纳米管 T 修饰GC电极表面的固定及直接 电化学 尹峰等 5 将多壁碳纳米管和聚丙烯胺层层自组装制得葡萄糖生物传 感器 其灵敏度高 抗干扰能力强 5 6纳米电子器件碳纳米管独特的电学性质适用于制备纳米电子器 件 2000年4月 美国国际商用机器公司 IBM 的研究人员成功制造出世界 上第一个碳纳米管晶体管阵列 所使用的碳纳米管是由碳原子排列而 成的微小圆柱体 是现在硅晶体管的1 500 而且无需对它们逐个进行 处理 这种三电极的单分子晶体管可使集成电路的尺寸降低2个数量级以上 它的发现是分子电子学的一个重大进步 5 7纳米机械美国已经制成了纳米秤 纳米秤与悬挂的钟摆相似 通过测量振动频率 可以测出粘结在悬壁 梁一端的微小颗粒的质量 它是目前世界上最敏感的和最小的量器 有专家认为 此纳米秤将可以用来衡量大生物分子的质量和生物颗粒 例如病毒 还可能导致一种纳米质谱仪的产生 碳纳米管作为探针型电子显微镜等的探针 是碳纳米管最接近商业化 的应用之一 5 8碳纳米管复合材料碳纳米管复合材料是碳纳米管应用研究的一 个重要方向 碳纳米管复合材料不仅可以利用其力学性能来制备增强复合材料 而 且还可以利用其导电特性等其他性能来制备功能复合材料 另外 将经化学修饰的碳纳米管衍生物与聚合物共混纺制碳纳米管复 合纤维 其不仅具有导电或抗静电性 还具有高的强度和模量 该类复 合纤维可望应用于轻便且刀枪不入的装甲和防弹背心或服装材料 5 9锂离子电池电极材料目前 应用意义重大的锂离子电池正朝高能 量密度方向发展 这就必须要寻找一种合适的电极材料 使得电池具 有足够高的锂嵌入量和很好的锂脱嵌可逆性 以保证电池具有高电压 大容量和长循环寿命 碳纳米管的特殊结构使它可能成为一种优良的锂离子电池负极材料 其大的层间距使锂离子更容易嵌入脱出 筒状结构在多次充放电循环 后不会塌陷 可以大大提高锂离子电池的性能和寿命 5 10超级电容器电极材料超级电容器在移动通讯 信息技术 电动 汽车 航空航天和国防科技等方面具有极其重要和广阔的应用 现在科学家们正在努力寻找一种电极材料能使得复合电容器同时具 有较高的能量和功率密度 很多学者用碳纳米管取代活性碳作为电极材料 已经取得了一些研究 成果 5 11催化剂材料碳纳米管由于量子效应使其具有特异性催化和光催 化等性质 使人们对其在催化化学中的应用产生极大兴趣 由于碳纳米管具有独特的电子 孔腔结构和吸附性能等 在催化方面 主要用作催化剂载体 在加氢 脱氢和择形催化