碳纳米管概述

碳纳米管概述王刚（08级材料化学）：综述碳纳米管的历史，合成，应用等各方面的问题，借此来达到研究初步的目的。关键词：碳纳米管，结构，历史，合成，应用历史在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛（lijima）在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Carbonnanotube”，即碳纳米管,又名巴基管。1993年。Sijima等和DS。Bethune等同时报道了采用电弧法，在石墨电极中添加一定的催化剂，可以得到仅仅具有一层管壁的碳纳米管，即单壁碳纳米管产物。1997年，AC.Dillon等报道了单壁碳纳米管的中空管可储存和稳定氢分子，引起广泛的关注。相关的实验研究和理论计算也相继展开。初步结果表明：碳纳米管自身重量轻，具有中空的结构，可以作为储存氢气的优良容器，储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。适当加热，氢气就可以慢慢释放出来。研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带式的储氢容器。据推测，单壁碳纳米管的储氢量可达10%（质量比）。此外，碳纳米管还可以用来储存甲烷等其他气体。结构在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛(lijima)在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Carbonnanotube”，即碳纳米管，又名巴基管。碳纳米管具有典型的层状中空结构特征，构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成。管身由六边形碳环微结构单元组成,端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。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。它主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约为0.34nm，直径一般为220nm。由于其独特的结构，碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值，如：其独特的结构是理想的一维模型材料;巨大的长径比使其有望用作坚韧的碳纤维，其强度为钢的100倍，重量则只有钢的1/6;同时它还有望用作为分子导线，纳米半导体材料，催化剂载体，分子吸收剂和近场发射材料等。科学家们还预测碳纳米管将成为21世纪最有前途的纳米材料，以碳纳米管为材料的显示器将是很薄的，可以像招贴画那样挂在墙上。韩国的三星电子公司已展示了从纳米管发射电子轰击屏幕的显示屏，该公司估计两年内碳纳米管显示屏将上市。虽然碳纳米管的技术性能非常好，但因成本和其他因素其大规模推广仍将会是一个长期的过程。目前，在各大学的物理系和像IBM那样的公司都在制造碳纳米管，每克碳纳米管的价格是100美元左右。我国对此项研究虽然起步较晚，但发展很快。目前碳纳米化学方兴未艾，内容丰富，前景诱人。通过对碳纳米管的研究，必然带动相应学科的发展合成自发现以来，国内外学者对CNTs进行了大量研究，其中包括对获得大批量、低成本、高纯度:NTs合成方法的探索，目前己形成以电场梯度和热梯度为CNTs生长提供驱动力的两大类主流微细加工技术，具体包括：1）电弧放电法电弧放电法是ljima首次发现碳纳米管时所采用的方法，其原理是石墨电极在电弧放电产生的高温下蒸发，于阴极附近沉积出CNTs12）激光蒸发法激光蒸发法的原理是利用激光在特定气氛下照射含有金属催化剂和碳源的靶材并将其蒸发，同时结合一定反应气体，在基底或反应腔壁沉积出CNTs23）化学气相沉积法（CVD法）CVD法是通过烃类（如甲烷、乙烯、苯等）或含碳氧化物（如CO等）在催化剂（如过渡族金属Fe、Co、Ni、Cr、Cu等）作用下裂解并重构而制备CNTs的方法。1993年，Yacaman掣56】以2.5%Fe/石墨颗粒为催化剂、乙炔为碳源，首次针对性的采用该方法合成出长度509m、直径和结构与TOima报道结果相当的MWNTso34）其它方法除上述主要方法外，国内外学者还进行了其它CNTs合成方法的深入探索，例如，Cho等4通过热解聚合物法在400C热解柠檬酸和甘醇聚合物制备出CNTs；Richter纠叫采用火焰法对乙炔、氧、氩气混合气进行燃烧得到了SWNTs：Chemozatonskii等5咧通过离子（电子束）辐射法利用硅基体上的石墨合成出定向排列CNTs，采用金属材料原位合成法在FeNi.C、NiFeC、FeNiCo.C的粉末冶金产物中制备出富勒烯和SWNTsHsu掣67J以熔融碱金属卤化物为电解液、石墨棒为电极，通过电解法合成出了CNTs和洋葱碳；Kyotani等6采用模板碳化技术在氧化铝模板的沟槽中制出CNTs。应用氢气被很多人视为未来的清洁能源。但是氢气本身密度低，压缩成液体储存又十分不方便。碳纳米管自身重量轻，具有中空的结构，可以作为储存氢气的优良容器，储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。适当加热，氢气就可以慢慢释放出来。研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带式的储氢容器。在碳纳米管的内部可以填充金属、氧化物等物质，这样碳纳米管可以作为模具，首先用金属等物质灌满碳纳米管，再把碳层腐蚀掉，就可以制备出最细的纳米尺度的导线，或者全新的一维材料，在未来的分子电子学器件或纳米电子学器件中得到应用。有些碳纳米管本身还可以作为纳米尺度的导线。这样利用碳纳米管或者相关技术制备的微型导线可以置于硅芯片上，用来生产更加复杂的电路。利用碳纳米管的性质可以制作出很多性能优异的复合材料。例如用碳纳米管材料增强的塑料力学性能优良、导电性好、耐腐蚀、屏蔽无线电波。使用水泥做基体的碳纳米管复合材料耐冲击性好、防静电、耐磨损、稳定性高，不易对环境造成影响。碳纳米管增强陶瓷复合材料强度高，抗冲击性能好。碳纳米管上由于存在五元环的缺陷，增强了反应活性，在高温和其他物质存在的条件下，碳纳米管容易在端面处打开，形成一个管子，极易被金属浸润、和金属形成金属基复合材料。这样的材料强度高、模量高、耐高温、热膨胀系数小、抵抗热变性能强。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。碳纳米管上极小的微粒可以引起碳纳米管在电流中的摆动频率发生变化，利用这一点，1999年，巴西和美国科学家发明了精度在10-17kg精度的“纳米秤”，能够称量单个病毒的质量。随后德国科学家研制出能称量单个原子的“纳米秤”。7结束语经过科学家的不懈努力，不管是在碳纳米管的制作，还是理论研究，都取得了长足的进展，相信，对于碳纳米管的研究，还会继续深入下去。参考文献491TakizawaM，BandowS，TofiiT，eta1，EffectofenvironmenttemperatureforsynthesizingSWCNTsbyarCvaporizationmethod，ChemPhysLett，1999，302(1)：146-150。53ZhangYGuH，IijimaS，SinglewallcarbonnanotubessynthesizedbylaserablationinaN2atomsphere，ApplPhysLett199873(23827-3829)。1 YacamanMJ，YoshideMM，Catalyticgrowthofcarbonmicrotubeswith。2 fullerenestructure，ApplPhysLett，1993，62(2)：202-204ChoWS，HamadaE，KondoYeta1，Synthesisofcarbonnanotubesfrombulk。polymer,ApplPhysLett，1996，69(2)：278-279。3 RichterH，HernadiK，CaudanoR，eta1，Formationofnanotubesinlow。pressurehydrocarbonflames，Carbon，1996，34(11)：427428碳纳米管在铝基体上原位合成及其复合材料的组织与性能天津大学李海鹏200816-17。4 百度百科。