碳纳米管的结构_制备及修饰

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自Iijima [1]首次用高分辨透射电镜发现碳纳米管(CNTs)后,碳纳米管及其相关材料以其独特的性质、新颖的结构及许多潜在的应用前景引起了人们极大的兴趣和关注,而用纳米材料来修饰和填充碳纳米管成为人们研究的热点之一[2-4]。探索碳纳米管的物理、化学性能及其在各个领域中的应用也成为众多科研工作者研究的目标。碳纳米管的结构比较特殊是由类似于石墨的六边形网络所组成的管状物,独特的纳米中空结构、封闭的拓扑构型及不同的螺旋结构等使其具有大量特殊的优异性能,如导电性好，耐热，机械强度比较高，耐腐蚀，有自润滑性和生物相容性等。这些优异特性使得碳纳米管在复合材料、储氢材料、催化剂材料等方面有着巨大的应用潜力。纳米中空结构使得它有可能作为一种纳米反应器[5]。作为碳家族的新成员,它有合适的孔径分布,便于金属组分更好地分散[6]。它独特而又稳定的结构及形貌,尤其是表面性质,能依据人们的需要进行不同方法的修饰,使其适合作为新型催化剂载体[7-8]。

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碳纳米管的性质

1.1

碳纳米管的结构

碳纳米管可分为单壁碳纳米管（SWNTs ）和多璧碳纳米管（MWNTs ）。碳纳米管可看作是由石墨烯层片卷成、直径为纳米尺度的圆桶,其两端由富勒烯半球封帽而成。多壁碳纳米管则是由若干个单层管同心套迭而成的，石墨碳原子中的4个价电子只有3个成键,形成六边形的平面网状结构。这种排列使石墨中的每个碳原子有一个未成对电子,这个未成对电子围绕着这个碳环平面高速运转,因而使石墨具有较好的导电性，碳纳米管中存在大量的六边形结构，当六边形往外逐渐延伸成为五边形时，会造成碳纳米管突出；而形成七边形时碳纳米管则凹进。这样就形成了碳纳米管独特的纳米中空结构、封闭的拓扑构型及不同的螺旋结构。而碳纳米管也由于如此的特殊结构具有了一系列卓越的性质。1.2碳纳米管的制备

电弧法制备碳管的基本原理是在两个相距很近的石墨电极间加上高电压以至放电，放电电弧产生的高温使得阳极石墨棒上的碳物质迅速蒸发，随后蒸发物质中的碳原子以团簇为单元组成多种碳物质形态，沉积于阴极和反应腔壁上，碳纳米管是其中的沉积产物之一。电弧法多用来制备多璧碳纳米管（MWNTs ）但制备的碳纳米管缺陷多,且与其他的副产物如无定形碳、纳米微粒等杂质烧结于一体,对以后的分离和提纯会有不利的影响。

催化裂解法（CVD 法）是目前应用最广泛的方法之一，该方法所用的关键设备就是可加热反应腔。反应腔可以分为立式固定床和卧式磁舟两种。其基本原理是:在中等温度下(800-1200K 左右),含碳化合物如烃、金属有机化合物、CO 等在金属催化剂的作用下分解为碳原子,沉积在金属颗粒的表面,然后溶解、扩散进入金属体相,最后析出生长成为碳纳米管。可以认为实现可控制技术的一个可能的途径是通过控制催化剂颗粒的大小和分布间接控制碳管的生长，因此有关CVD 技术的催化剂问题受到广泛关注。可以用于合成碳管的催化剂一般为过渡金属元素：Fe 、Co 、Ni 、Cr 、Mo 、Mg 和Si 等。同电弧法相比,催化裂解法制得的CNTs 缺陷较多，但是此法制得的碳纳米管产量大且易提纯,还可通过催化剂颗粒的大小控制碳纳米管的粗细。

激光蒸发法是制备碳纳米管的重要方法之一。它是利用激光对石墨进行蒸发并利用专门设计的收集器来收集合成的碳管。其基本原理是:在惰性气体流中用激光蒸发含有金属催化剂的石墨靶表面,在石墨上生长碳纳米管,随后收集于铜水冷器。激光束的宽度为6至7个毫米，经过计算机的精确引导，激光束持续而定量地蒸发含有金属催化

剂的石墨靶，再由流动的Ar 气将碳物质送到蒸发炉外的水冷铜收集器处，在那里就能找到碳管，该方法首次得到相对较大数量的单壁碳纳米管。激光蒸发(烧蚀)法的主要缺点是单壁碳纳米管的纯度较低、易缠结。

1.3碳纳米管的修饰

碳纳米管的修饰共分为两类，分别为共价修饰和有机化学修饰。其中碳纳米管的共价修饰共有三种途径:自由基加成法、电化学氧化法、化学试剂氧化法这三种。

自由基加成法是一种碳纳米管共价修饰的方法，CNTs 管壁上存在很大的自由基加成的可能性。在碳纳米管璧原位上的重氮化可以是碳纳米管有效地溶解在水中，增大碳纳米管的溶解度。Sinnott [15]采用经典分子动力学模拟方法构建了碳自由基与碳纳米管的加成模型，通过模型的建立发现带羧基的烷基自由基可以有效地加成到碳纳米管管壁上，得到功能化的碳纳米管。

通过电化学氧化法可以制得大量的碳纳米管修饰电极，将CNTs 固定于电极材料上，加压条件下用NaOH 溶液处理。万谦等[16]碳纳米管经过纯化、浓酸回流处理后与DMF 分散物质形成悬浮液，然后通过微量滴管等直接滴涂或溅射等方法修饰到各种基质电极上，即可制成碳纳米管修饰电极。

化学试剂氧化法是一种较为普遍的方法，以浓硝酸或者硝酸和硫酸的混酸作为强氧化剂，经过处理后使得碳纳米管表面具有大量的羧基和羟基基团，这种方法简单易行，很多文献对碳纳米管修饰都是采用此方法，但是表面羧基化后的CNTs 其表面羧基之间存在氢键作用，碳纳米管分散性和溶解性还是仍然较差，还需要进一步对CNTs 表面的COOH 进行反应，破坏羧基之间的氢键作用。

CNTs 的化学修饰共分为三类，包括酸碱中和反应、酰化反应、胺化反应，其中酸碱中和反应是认为羧基化后的CNTs 可以与带碱性基团的聚合物发生类似于酸碱中和反应的反应，在上个世纪90年代，Chen 等以羧基化后的碳纳米管与带碱性基团的聚合物十八胺发生中和反应，第一次得到了可溶性CNTs 为SWNTs 在各种生物及超分子领域的应用提供了依据。Banerjee 等用Wilkinson 催化剂[RhCl(PPh 3)3]与羧基化SWNTs 反应，发现修饰后的SWNTs 溶解度显著增大在二甲基甲酰胺(DMF)、四氢呋喃(THF)、二甲基亚砜(DMSO)等有机溶剂中，从而证明金属离子可通过离子作用与羧基化CNTs 反应。

酰化反应如酰胺化反应和酰氯化反应等，酰氯化反应是碳纳米管在加热条件下在硝酸中回流后，以亚硫酰二氯(SOCl 2)作酰化剂，得到含有酰基氯的碳纳米管。由于含有酰基氯的碳纳米管具有更高的活性，可以与苯胺发生酰胺化反应进一步得到含有酰基苯胺的碳纳米管。

2结论

多壁碳纳米管是一类新奇碳素纳米材料。典型的CNTs 具有纳米级管状结构。鉴于这类新奇管状纳米碳材料具有独特的结构和物化性质，作为一种新型碳素催化剂载体或促进剂，较之一些常规载体材料更具特色，近年来引起国际催化学界的日益注意，所涉及用CNTs 作为新型催化剂载体或促进剂的研究领域包括:选择加氢、氢甲酞化、选择脱氢、氨合成、FT 合成、甲醇/低碳醇合成等。【参考文献】

［1］Iijima S.Helical microtubules of graphitic carbon .Nature ,1991,354:56-58．［2］Kogak,Gao G T ,Tanaka H ,et al.Formation of ordered ice nanotubes inside

carbon nanotubes[J].Nature ,2001,412:802-805.（下转第38页）

碳纳米管的结构、制备及修饰

赵健勇（山东师范大学化学化工与材料科学学院

山东济南250014）

【摘要】本文详细介绍了碳纳米管的特殊结构，各种不同的制备方法，以及在共价修饰和化学修饰的各种方法，对碳纳米管应用作出展

望。

【关键词】碳纳米管；结构；制备；修饰