纳米碳管的特性及其应用

1、会计学1纳米碳管的特性及其应用纳米碳管的特性及其应用金刚石石墨富勒烯碳纳米管瑞士洛桑联邦综合工科大学的D.Ugarte等1857年，法拉第制备出金纳米颗粒(1)碳纳米管碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体，一般可分为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管。(2)纳米碳纤维纳米碳纤维是由碳组成的长链。其直径约50-200nm，亦即纳米碳纤维的直径介于纳米碳管（小于100 nm）和气相生长碳纤维之间。(3)碳球根据尺寸大小将碳球分为：(1)富勒烯族系Cn和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构，直径在220nm之间)，如C60，C70等；(2) 纳米碳粉。(4)石墨烯石墨烯（graphene）是由单

2、层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是构建其它维度碳质材料的基本单元。C C6060 （零维）（零维）碳纳米管碳纳米管 （一维）（一维）金刚石金刚石 （三维）（三维）石墨石墨 （二维）（二维）石墨烯碳纳米管化学纪事 “纳米豆腐的世界纳米豆腐的世界” 日本电镜学家S. Iijima在Iijima的发现前后及时地预言了这种新的碳结构的各种性质，同时预言了单壁管的存在。她对碳纳米管结构的完整理解走在了世界的最前面 在制备C60的沉积物中发现纳米管揭开了CNTs研究的序幕美国物理学家 Mildred S. Dresselhaus96年诺贝尔奖者Richard E. Smalley发展

3、了一种大量制备碳纳米管的方法激光脉冲法(laser ablation)，并制造出了大批高质量的单壁纳米管，还组建了纳米管生产公司 碳纳米管碳纳米管对纳米材料的发展做出了不可磨灭的贡献按照石墨烯片的层数，可分为：按照石墨烯片的层数，可分为： 1) 1)单壁碳纳米管单壁碳纳米管（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 0.753nm和150m。又称富勒管(Fullerenes tubes)。 2) 多壁碳纳米管多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes, MWNTs）： 含有多层石墨烯片。形状象个同轴电缆。

4、其层数从 250不等，层间距为0.340.01nm，与石墨层间距 (0.34nm)相当。多壁管的典型直径和长度分别为230 nm和 0.150m。 单壁碳纳米管多壁碳纳米管提高纯度、增加产率基本原理：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 6050Pa，电流60A100A，电压19V25 V，电极间距1 mm4mm，产率50。Iijima等生产出了半径约1 nm的单层碳管。电弧区温度非常高，碳纳米管缺陷较多电弧区温

5、度非常高，碳纳米管缺陷较多化学气相沉积（CVD）法能大规模制备、但杂质较多需后续处理能大规模制备、但杂质较多需后续处理制备条件非常宽松激光蒸发制备碳纳米管示意图激光脉冲时间间隔 （间隔越短，产率越高）激光脉冲功率（功率，直径）碳纳米管直径可控、纯度高连续提供表面新鲜的催化剂，区别于CVD碳纳米管制备方法评价的标准碳纳米管制备方法评价的标准纯度高、成本低管径均匀且结构可控连续批量生产石墨电弧放电法化学气相沉积法激光蒸发法五 碳纳米管的物理化学性质5.1 单壁碳纳米管的性能 超长单壁碳纳米管细丝(直径50500 nm) 在90300K间，电阻率=57/m 碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具

6、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的管径较大时，导电性能下降；当管径小于某一值时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。 碳纳米管的抗拉强度达到50200GPa, 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。 天梯材料的唯一选择5万个纳米管并排起来才有人的一根头发那么宽 一维碳纳米管具有非常大的长径比，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。 因而大量热是沿着长度方向传递的，通过适当排列碳纳米管，可以合成可以合成热热高各高各向异性材料向异性材料。 纳米管的横向尺寸比多数在室温至150oC电介质的晶格振

7、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。定向纳米碳管的场发射特性 碳纳米管具有优良的场致发射特性（其中包括FED对阴极所要求的发射的一致性、稳定性和高的发射点密度），尤为适于制作新型平板显示器。 使用定向排列的CNT薄膜作为阴极的FED具有成本低，工艺简单，可靠性高的特点，可以用来制作点阵式显示器、数码管等各种显示装置。室温下碳纳米管的储氢量 H2物理储氢由单壁碳纳米管和多壁碳纳米管混以铜粉或金粉制成电极，可进行恒流充放电储氢碳纳米管复合材料合成的可行性气体通过碳纳米管的扩散速度为通过常规催化剂颗粒的上千倍,担载催化剂后极大提高催化剂的活性和选择

8、性。分子感应器 由于碳纳米管暴露在NO2 和NH3 时，电导发生明显的增加或减小，因而可用在气体化学传感器方面。优点：具有响应速度快，灵敏度高（较常规高1000倍），重现性好，室温操作等。解决目前水质重金属污染问题 对碳纳米管的端部有选择性地进行化学修饰，可以进一步拓展AFM的应用范围。 Hafner J H在室温下能够清晰的观测到G型球蛋白的Y型结构。电池的容量是一般充电电池的三倍大幅度延长使用寿命重量大大降低手机电池笔记本电脑电池数码相机电池潜在应用美国加利福尼亚大学罗伯特哈顿博士及其同事发现，碳纳米管是骨组织生长的理想基体。 如果一根纳米管位于另一根稍微大一点的纳米管之中，那么由于静电、

9、范德华力和毛细力的作用，内部管就会随着外部管“流动”。当电流通过纳米管的时候就会使内部管被推着在外部管中进出。这种压缩动作可以使内部管与电极连接或断开，从而最终产生使用二进制编码保存信息所需的“1”或“0”状态。 基本上分为两大类：一类是药物/基因输送；另一类便是生物分子/体系检测。 CNTs应用应用应用最为广泛的一种新型材料应用最为广泛的一种新型材料1）共价功能化 A：端口功能化 B：侧壁功能化2）非共价功能化 C： 表面活化剂功能化 D： 聚合物功能化 E： 内腔功能化资料来源于网络，向原作者们致谢资料来源于网络，向原作者们致谢！碳纳米管化学纪事 “纳米豆腐的世界纳米豆腐的世界” 日本电镜

10、学家S. Iijima在Iijima的发现前后及时地预言了这种新的碳结构的各种性质，同时预言了单壁管的存在。她对碳纳米管结构的完整理解走在了世界的最前面 在制备C60的沉积物中发现纳米管揭开了CNTs研究的序幕美国物理学家 Mildred S. Dresselhaus96年诺贝尔奖者Richard E. Smalley发展了一种大量制备碳纳米管的方法激光脉冲法(laser ablation)，并制造出了大批高质量的单壁纳米管，还组建了纳米管生产公司 碳纳米管碳纳米管对纳米材料的发展做出了不可磨灭的贡献提高纯度、增加产率定向纳米碳管的场发射特性 碳纳米管具有优良的场致发射特性（其中包括FED对阴极所要求的发射的一致性、稳定性和高的发射点密度），尤为适于制作新型平板显示器。 使用定向排列的CNT薄膜作为阴极的FED具有成本低，工艺简单，可靠性高的特点，可以用来制作点阵式显示器、数码管等各种显示装置。气体通过碳纳米管的扩散速度