碳纳米管和石墨烯简介
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A brief introduction of
应化0902
张一恒
碳纳米管
碳纳米管是在1991年1月由日本筑波NEC实验室 的物理学家饭岛澄男使用高分辨率分析电镜从电弧法生产 的碳纤维中发现的。它是一种管状的碳分子，管上每个碳 原子采取SP2杂化，相互之间以碳-碳σ键结合起来，形成 由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架。每个碳 原子上未参与杂化的一对p电子相互之间形成跨越整个碳 纳米管的共轭π电子云。按照管子的层数不同，分为单壁 碳纳米管和多壁碳纳米管。管子的半径方向非常细，只有 纳米尺度，几万根碳纳米管并起来也只有一根头发丝宽， 碳纳米管的名称也因此而来。而在轴向则可长达数十到数 百微米。
碳纳米管的应用
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”。
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。
碳纳米管的应用
无碳纳米管（左）和有碳纳米管（右） 情况下的大肠杆菌对比照片 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。
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π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。
缺点：
激光蒸发
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。
任何极端温度下都不会损坏的特殊的“钢筋铁骨橡胶”
碳纳米管的应用
这种材料可以像橡胶一样拉伸 延展，最大可以延展至原始尺寸的 1.7倍，而不会影响任何的性能。 这款材料的奥秘在于其中整合了新 型的碳纳米管聚合物。这种材料还 可以被应用于机器人领域，用来制 造电子皮肤，从而使机器人获得更 为敏感的触觉。
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1625 mAh/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。
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。
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。
碳纳米管不总是笔直的，局部可能出现凹凸的现 象，这是由于在六边形结构中混杂了五边形和七边形。出 现五边形的地方，由于张力的关系导致碳纳米管向外凸出。 如果五边形恰好出现在碳纳米管的顶端，就形成碳纳米管 的封口。出现七边形的地方碳纳米管则向内凹进。
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。
碳纳米管的应用
注射碳纳米管可杀灭癌细胞
美国科学家找到一种破坏癌细胞的新方法， 即先向癌细胞注射碳纳米管，然后用无线电波 进行摧毁。研究人员向兔子的肝脏肿瘤细胞注 射碳纳米管，用无线电波对碳进行加热，结果 成功地杀灭了癌细胞，而对附近的健康细胞只 造成了很少量的伤害。这一研究尚处在初步阶 段，还需要3-4年的时间才能进行临床试验。而 他们的目的是创造出能够检出癌细胞的纳米颗 粒，能够选择性地渗透进癌细胞中，而不需要 人工将它们注射进去。
温度不易控制导致碳纳米管缺 缺点： 陷多；副产物多不易后期的分离提纯。 单壁碳纳米管的纯度较低、易
粘结。
有机气体催化裂解
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。
碳纳米管研究面临的问题和前景
目前，各国在实验上对碳纳米管的研究方兴未艾，并都取得了一定的成就 ，美国发明了纳米秤，日本制成了铂填充的碳纳米管，德国制备出直径为lnm的 碳纳米管。我国个别研究成果虽然走在了世界最前沿，如合成出ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ界最长的碳纳 米管、高质量碳纳米管储氢的研究等。
应化0902
张一恒
碳纳米管
碳纳米管是在1991年1月由日本筑波NEC实验室 的物理学家饭岛澄男使用高分辨率分析电镜从电弧法生产 的碳纤维中发现的。它是一种管状的碳分子，管上每个碳 原子采取SP2杂化，相互之间以碳-碳σ键结合起来，形成 由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架。每个碳 原子上未参与杂化的一对p电子相互之间形成跨越整个碳 纳米管的共轭π电子云。按照管子的层数不同，分为单壁 碳纳米管和多壁碳纳米管。管子的半径方向非常细，只有 纳米尺度，几万根碳纳米管并起来也只有一根头发丝宽， 碳纳米管的名称也因此而来。而在轴向则可长达数十到数 百微米。
碳纳米管的应用
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”。
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。
碳纳米管的应用
无碳纳米管（左）和有碳纳米管（右） 情况下的大肠杆菌对比照片 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。
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π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。
缺点：
激光蒸发
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。
任何极端温度下都不会损坏的特殊的“钢筋铁骨橡胶”
碳纳米管的应用
这种材料可以像橡胶一样拉伸 延展，最大可以延展至原始尺寸的 1.7倍，而不会影响任何的性能。 这款材料的奥秘在于其中整合了新 型的碳纳米管聚合物。这种材料还 可以被应用于机器人领域，用来制 造电子皮肤，从而使机器人获得更 为敏感的触觉。
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1625 mAh/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。
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。
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。
碳纳米管不总是笔直的，局部可能出现凹凸的现 象，这是由于在六边形结构中混杂了五边形和七边形。出 现五边形的地方，由于张力的关系导致碳纳米管向外凸出。 如果五边形恰好出现在碳纳米管的顶端，就形成碳纳米管 的封口。出现七边形的地方碳纳米管则向内凹进。
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。
碳纳米管的应用
注射碳纳米管可杀灭癌细胞
美国科学家找到一种破坏癌细胞的新方法， 即先向癌细胞注射碳纳米管，然后用无线电波 进行摧毁。研究人员向兔子的肝脏肿瘤细胞注 射碳纳米管，用无线电波对碳进行加热，结果 成功地杀灭了癌细胞，而对附近的健康细胞只 造成了很少量的伤害。这一研究尚处在初步阶 段，还需要3-4年的时间才能进行临床试验。而 他们的目的是创造出能够检出癌细胞的纳米颗 粒，能够选择性地渗透进癌细胞中，而不需要 人工将它们注射进去。
温度不易控制导致碳纳米管缺 缺点： 陷多；副产物多不易后期的分离提纯。 单壁碳纳米管的纯度较低、易
粘结。
有机气体催化裂解
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。
碳纳米管研究面临的问题和前景
目前，各国在实验上对碳纳米管的研究方兴未艾，并都取得了一定的成就 ，美国发明了纳米秤，日本制成了铂填充的碳纳米管，德国制备出直径为lnm的 碳纳米管。我国个别研究成果虽然走在了世界最前沿，如合成出ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ界最长的碳纳 米管、高质量碳纳米管储氢的研究等。