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碳纳米管的性质与应用（文献综述）

北京化工大学北方学院
NORTH COLLEGE OF BEIJING UNIVERSITY OF
CHEMICAL TECHNOLOGY

碳纳米管的性质与应用

姓名： 赵 开
专业： 应用化学
班级： 0804
学号： 080105097

2011年05月

文献综述

前 言

本人论题为《碳纳米管的性质与应用》。碳纳米管是一维碳基纳米材料，其径向尺寸为纳米级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口。碳纳米管具有尺寸小、机械强度高、比表面大、电导率高、界面效应强等力学，电磁学特点。近年来，碳纳米管在力学、电磁学、医学等方面得到了广泛应用。
本文根据众多学者对碳纳米管的研究成果，借鉴他们的成功经验，就碳纳米管的性质及其功能等方面结合最新碳纳米管的应用做一些简要介绍。本文主要查阅近几年关于碳纳米管相关研究的文献期刊。

碳纳米管（CNT）是碳的同素异形体之一，是由六元碳环构成的类石墨平面卷曲而成的纳米级中空管，其中每个碳原子通过SP2杂化与周围3个碳原子发生完全键合。碳纳米管是由一层或多层石墨按照一定方式卷曲而成的具有管状结构的纳米材料。由单层石墨平面卷曲形成单壁碳纳米管（SWNT），多层石墨平面卷曲形成多壁碳纳米管（MWNT）。自从1991年日本科学家lijima发现碳纳米管以来，其以优异的力学、热学以及光电特性受到了化学、物理、生物、医学、材料等多个领域研究者的广关注。

一、 碳纳米管的性质

碳纳米管的分类
研究碳纳米管的性质首先要对其进行分类。（1）按照石墨层数分类，碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。（2）按照手性分类，碳纳米管可分为手性管和非手性管。其中非手性管又可分为扶手椅型管和锯齿型管。（3）按照导电性能分类，碳纳米管可分为导体管和半导体管。
碳纳米管的力学性能
碳纳米管无缝管状结构和管身良好的石墨化程度赋予了碳纳米管优异的力学性能。其拉伸强度是钢的100倍，而质量只有钢的 1/ 6，并且延伸率可达到20 %，其长度和直径之比可达 100～1000，远远超出一般材料的长径比，因而被称为“超强纤维”。碳纳米管具有如此优良的力学性能是一种绝好的纤维材料。它具有碳纤维的固有性质，强度及韧性均远优于其他纤维材料[1]。单壁碳纳米管的杨氏模量在1012Pa范围内，在轴向施加压力或弯曲碳纳米管时，当外力大于欧拉强度极限或弯曲强度，它不会断裂而是先发生大角度弯曲然后打卷形成麻花状物体，但是当外力释放后碳纳米管仍可以恢复原状。
碳纳米管的电磁性能
在纳米碳管内，由于电子的量子限域，电子只能在石墨片中沿着纳米碳管的轴向运动，因此纳米碳管表现出独特的电学性能。它既可以表现出金属的电学性能又可以表现出半导体的电学性能。碳纳米管具有独特的导电性、很高的热稳定性和本征迁移率，比表面积大，微孔集中在一定范围内，满足理想的超级电容器电极材料的要求[2]。此外，碳纳米管还可以用作锂离子电池的材料。碳纳米管的磁化率比石墨、富勒烯、活性炭、碳黑等其它材料要高。由于碳纳米管的尖端具有纳米尺度的曲率，在相对比较低的电压下就能够发射大量的电子，因此碳纳米管材料能够呈现出良好的场致发射特性，很适合用作各种场致发射器件的阴极。
碳纳米管的光学性能
研究碳纳米管的发光性质从其发光位置着手研究。单壁纳米碳管的发光是从支撑纳米碳管的金针顶附近发射的，并且发光强度随发射电流的增大而增强；多壁纳米碳管的发光位置主要限制在面对着电极的薄膜部分，发光位置是非均匀的，发光强度也是随着发射电流的增大而增强。碳纳米管的发光是由电子在与场发射有关的两个能级上的跃迁而导致的。研究表明单壁纳米碳管的光吸收随压力的增大而减弱，其原因在于压力的变化会导致纳米碳管对称性的改变。
碳纳米管的敏感性能
碳纳米管对多种气体有敏感性能[3]，如碳纳米管对氧气极为敏感，这是电子在氧原子和碳纳米管之间的转移所造成的结果。在室温下，放置在氧气中的半导体性碳纳米管会转化成金属性的。碳纳米管在吸附氧原子后电阻会下降15%。如果把半导体性的单壁碳纳米管放置在含二氧化氮或氨气中，很快碳纳米管的电阻变化可达3个数量级。其吸附二氧化氮后，使其电阻下降，吸附氨气后导致其电阻增大。这是由于空穴是碳纳米管中的主要载流子，吸附二氧化氮会引起费米能级下移从而靠近价带，吸附氮气会引起费米能级上移从而靠近导带。
碳纳米管的催化性能
在催化研究方面，碳纳米管已被用于分散和稳定纳米级的金属小颗粒。由碳纳米管制得的催化剂可以改善多相催化的选择性。如果直接用碳纳米管做催化剂可明显转换率。此外，利用碳纳米管的管状腔进行管道有机合成，在生物化学以及制药化学领域有重要意义。
碳纳米管的其他性能
碳纳米管还具有超导性能，研究发现单壁碳纳米管的电导率随外磁场的变化而改变，这说明管内电子的自旋与外磁场之间有较强的相互作用，因此由外界改变单壁碳纳米管内的磁序列是可能的。有学者研究表明，纳米碳管在低温区表现出超导性能并且有很高的临界超导电流。纳米碳管的超导性能研究为热敏电阻辐射器件的研制和开发提供了条件。碳纳米管具有很好的热稳定性，在真空状态高温下保持稳定。碳纳米管具有良好的导热性，它的导热性是金刚石的两倍。
由上述可知，正是因为碳纳米管具有力学、电学、磁学、热学以及物理、化学等方面独特的性能，使得其在诸多领域都有着广泛的应用。探索和研究碳纳米管的应用已成为当务之急，具有重大的实用价值。
二、 碳纳米管的应用

碳纳米管在力学领域的应用
碳纳米管具有十分优良的力学性能，具有异常高的扬氏模量，同时还具有极高的韧性，被认为是未来的“超级纤维”。基于碳纳米管的优良力学性能可以将其作为结构复合材料的增强剂。例如，碳纤维增强复合材料在航空航天等高技术领域早已得到广泛的应用，但碳纤维韧性不高的弱点也带来了很多制约。[4]如果用碳纳米管取代碳纤维而成为复合材料的优异的增强剂，可以大大增强纤维的韧性。另外，碳纳米管可以承受重击，所以它是很好的装甲和防弹衣的材料。碳纳米管还可以用于场发射、微电极和SPM探针显微镜的针尖等。在纳米机械方面，已经研制出可称量单个病毒质量的“纳米秤”。纳米秤与悬挂的钟摆很相似，通过测量振动频率便可以测出粘结在悬臂梁一端的颗粒的质量。利用这个原理可以测量出粘结在碳纳米管自由端顶部的微小质量。
碳纳米管在电磁学领域的应用
碳纳米管具有良好的导电性，是一种可用于制备修饰电极和电化学传感器的优良材料。将碳纳米管对传统电极进行修饰可以降低氧化过电势，增加峰电流，从而改善分析性能，提高方法选择性和灵敏度。[5]因此，碳纳米管作为修饰电极材料已广泛应用于分析化学领域。由于碳纳米管的尖端具有纳米尺度的曲率在相对比较低的电压下就能够发射大量的电子，因此碳纳米管材料能够呈现出良好的场致发射特性，非常适合于用作各种场致发射器件的阴极。利用碳纳米管的场致电子发射性能可用于制作平面显示装置，使之更薄、更省电，从而取代笨重和低效的电视和计算机显示器。碳纳米管的优异场发射性能还可使其应用于微波放大器、真空电源开关和制版技术上。由于碳纳米管是理想的一维量子导线，其独特的结构不仅可作成分子导线而且可作为生产分子导线的模具，所以可用于大规模集成电路、超导线材、超电容器，也可用于电池电极和半导体器件。目前的扫描探针显微镜是采用一个极微小的探针在样品表面极小距离内移动来得到样品表面的信息。碳纳米管的直径比以往用的针尖小得多，用碳纳米管作为扫描探针能大大提高其分辨率。利用碳纳米管的金属导电性和半导体性能，碳纳米管还被用于制作分子级开关、半导体器件等。
碳纳米管在催化剂材料领域的应用
碳纳米管管壁的官能化的进展与其优良的电子传导性、对反应物种和反应产物的特殊吸附及脱附性能、特殊的孔腔空间立体选择性、碳与金属催化剂的金属--载体强相互作用以及碳纳米管由于量子效应而导致的特异性催化和光催化性质、强的氧化性和还原性，使人们对碳纳米管在催化化学中的应用产生了极大的兴趣。[6] 由于碳纳米管特有的电子、孔腔结构和吸附性能等，碳纳米管在催化方面主要是当载体来使用，直接用碳纳米管作催化剂并不多。有关纳米材料量子效应在催化化学中的一个成功应用例子是将比表面为180m2/g的碳纳米管直接应用于NOX的催化还原，在573K获得8%的NO转化率，而当温度升至873K可得到100 %的NO转化率。碳纳米管在合成氨催化方面也有突出贡献。有研究者在钌基氨合成催化剂研究中发现，在同等条件下以碳纳米管为载体的钾促进的钌基催化剂，这比以氧化物为载体的钌基氨合成催化剂的活性高得多，这有利于氨的合成。应当注意的是碳纳米管其特殊的孔腔多层结构为氮及氢的吸附和反应提供了足够的空间以及快速吸附、脱附的通道。
碳纳米管在储氢材料领域的应用
能源危机和环境污染已经成为一个国际关注的重大问题。开发氢气这种新型清洁能源，对于解决世界性能源危机，实现可持续发展具有重大的现实意义。碳纳米管作为储氢材料已经引起了人们广泛的关注与研究。直径为零点几纳米到几十纳米的碳纳米管具有纳米尺度的中空孔道，被认为是一种极具潜力的储氢材料。纯净的单壁碳纳米管的储氢能力质量分数可达5％～10％。单壁碳纳米管是目前唯一能满足氢能源燃料电池汽车的一种储氢材料。[7] 利用碳纳米管的储氢能力，可用于制造质子交换膜燃料电池，这种燃料电池通过消耗氢产生电力，排出的废气为水蒸气，故没有污染。用碳纳米管储氢材料储氢后供应氢，也可通过分解汽油和其他碳氢化合物或直接从空气中获取氢给燃料电池提供氢源。碳纳米管储氢的优越性将使碳纳米管燃料电池成为最具发展潜力的新型汽车动力源，这预示着氢能源的储存及利用将可能取得技术上的重大突破。单壁碳纳米管的储气和解吸的温度、压力和动力学可能与纳米管的直径和长径比有关，控制这些参数并提高产量、纯度等条件将能得到具有实际应用价值的储氢材料，有望推动和促进氢能源的利用。此外，碳纳米管还可以用来储存其它气体，如氩气、氪气、氙气等。
碳纳米管在医学领域的应用
碳纳米管以其极高的稳定性、良好的生物相容性成为生物纳米材料中的佼佼者，在医学领域应用前景值得期待[8]。癌症已经成为危害人类健康的第二大杀手，目前还没有完全治愈的方法。研究表明将特定序列的RNA修饰到碳纳米管表面，这些功能化碳纳米管可以特异性结合到癌细胞表面，在一定小波长激光的照射下，这种RNA功能化碳纳米管就可以特异地杀死癌细胞圈。有学者研究在无线电场的作用下，碳纳米管可在一定条件下杀死肝脏肿瘤细胞，而对附近的健康细胞伤害较小。这些研究预示着碳纳米管在未来可能作为新一代抗癌药物，从而取代目前使用的副作用较大的抗癌药物。碳纳米管管道合成是有机合成、生物化学和制药化学的重点研究领域。碳纳米管声学传感器可以用作“纳米听诊器”，使诊断更为准确。由碳纳米管制成的微型纳米钳，有望成为科学家和医生装配纳米机械和进行微型手术的新工具。
碳纳米管在其他领域的应用
碳纳米管复合材料的研究也成为其应用研究的一个重要领域。由于碳纳米管具有非常高的强度，且耐强酸、强碱，600 ℃以下基本不氧化，又具有纳米级尺寸[9]，故可与工程材料复合起到强化作用。由于高分子材料的机械性能，特别是其抗拉强度普遍较低，因而，研究高分子--碳纳米管复合材料，用碳纳米管增强高分子材料以扩展高分子材料的应用领域具有很高的研究及推广价值。碳纳米管还可作为功能增强剂添加到聚合物中，提高其导电性和散热能力。因形状规则，具有稳定的化学活性，高的机械强度及良好的导电性。在军事方面，碳钠米管具有超强的力学性能，可用它作防弹性能的材料。在增强防弹效果的同时还能大大减轻防弹衣重量，具有很大的开发潜能[10]。碳纳米管还是一种理想的微波吸收剂，可用于隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料，由于发射到该材料表面的电磁波被吸收，不产生反射，因而达到隐形效果，用于隐形飞机等电子武器装备。碳纳米管还给物理学家提供了研究毛细现象机理最细的毛细管，给化学家提供了进行纳米化学反应最细的试管。基于碳纳米管的新技术，其领域将应用于解决人类目前所面临的能源危机、水资源匮乏等一系列与生活息息相关的问题。

结 论

由于碳纳米管具有非常好的性能，其尺寸又处于纳米级，因而具有很好的应用前景，受到了多个领域研究者的广泛关注。随着其应用研究的进展，势必引起一场科技革命的新突破，并带动一系列相关高科技产业的兴起与发展。在不久的将来，基于碳纳米管的多种现代化产品将会真正进入我们的生活，对社会的发展势必将起到极大的推动作用。

参考文献

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