碳纳米管应用

碳纳米管及其应用 3100453武颖杰 2 贵比黄金 细赛人发 的碳纳米管 CNT 是由石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状 纤维 管身由六边形碳环微结构单元组成 端帽部分由含五边形碳环组成的多边形结构 是一种纳米级的一维量子材料 碳纳米管按照石墨烯片的层数分类可分为 单壁碳纳米管 Single wallednanotubes SWNTs 和多壁碳纳米管 Multi wallednanotubes MWNTs 3 碳纳米管的制备 电弧法该方法是在真空反应室中充满一定压力的惰性气体 采用面积较大的石墨棒作电极 面积较小的石墨棒作阳极 在电弧放电过程中 两石墨电极间总保持一定的间隙 阳极石墨棒不断被消耗 阴极上沉积有碳纳米管 富勒烯 石墨颗粒 无定形碳和其他形式的炭颗粒 缺点 温度不易控制导致碳纳米管缺陷多 副产物多不易后期的分离提纯 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 管径可以由激光脉冲来控制 研究发现 激光脉冲间隔时间越短 得到的单壁碳纳米产量越高 而且单壁碳纳米管的结构并不受激光脉冲间隔时间的影响 而且用这种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 4 碳纳米管的制备 有机气体催化裂解法催化裂解法是目前应用最广 最易实现大规模生产的一种制备方法 在此法中化学气相沉积法应用最广 一般采用铁 钴 镍及合金做催化剂 粘土 硅酸盐 氧化铝做载体 低碳烃如乙炔 甲烷 丙烯等做碳源 氮气 氢气 氨气等做稀释气在高温的气流炉中进行 有时候还采用等离子加强或微波辅助的方法来保持碳原子的均匀分布 缺点 其制得的CNTs抗拉强度不如上两种方法好 存在催化剂失活的现象 对于反应器内气固接触方式及传递 反应物的移出 反应器的操作区等问题提出较高要求 5 碳纳米管的纯化 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 6 碳纳米管的性能 优异的力学性能 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 美国宾州州立大学的研究人员称 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 7 碳纳米管的性能 奇异的导电性能 碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域 键 由于共轭效应显著 碳纳米管具有一些特殊的电学性质 理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角 日本在全球首次成功开发了将有机分子插入碳纳米管内部 从而控制其导电性 通过改变插入碳纳米管内部的有机分子的种类和数量 可以高精度的控制纳米管上的电流和导电率 这种电气性质的改变将会对未来微电子技术带来巨大影响 8 碳纳米管的性能 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 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 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 O 343nm 是具有更加优良的储氢性能 也成为科学家关注的焦点 清华大学吴德海教授所领导的碳纳米材料研究小组 近日发现将碳纳米管制成电极 进行恒流充放电电化学实验 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1625mAh 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 9 碳纳米管的应用 10 碳纳米管的应用 麻省理工大科学家制造新手机电池的原材料 含碳纳米管 麻省理工大科学家发现 在电池一端电极使用含碳纳米管可以比现在的锂电池蓄存更多的电力 这种电池在充电效率及蓄电能力远比目前最高端的锂电池更优良 科新研发的含碳纳米管电池进行1000次充放电实验 结果在经历1000次充放电后 含碳纳米管电池内的物质属性变化极微 电池蓄电力丝毫未见减少 11 碳纳米管的应用 一项最新研究表明 单壁碳纳米管能够严重破坏大肠杆菌等细菌的细胞壁 从而将其杀灭 将有助于解决细菌抗药性这一日益突现的问题 无碳纳米管 上 和有碳纳米管 下 情况下的大肠杆菌对比照片 12 碳纳米管的应用 纳米金属催化剂载体 利用碳纳米管的高比表面及良好的吸氢能力 成功制备了负载Pt纳米粒子的高效加氢催化剂 13 碳纳米管的应用 这种新型碳纳米管 橡胶 其实是一种名为粘弹性物质传统材料 它的外表看起来很像泡沫耳塞 又像普通的橡皮擦 这种材料无论被怎样扭曲 拉伸 弯曲 甚至被穿透 到最后都会恢复到原始状态 它能抗低温 例如木星最大卫星 泰坦 上的低温 耐高温 例如在宇宙中近距离接近太阳时的高温 如果将它作为宇宙飞船的制作材料 那么人类的宇宙飞船将会 所向披靡 任何极端温度下都不会损坏的特殊的 钢筋铁骨橡胶 14 碳纳米管的