碳纳米管的研究进展

碳纳米管的研究进展*

王全杰1,2** 王延青1***

（1. 陕西科技大学资源与环境学院，陕西 西安 710021；2. 烟台大学化学生物理工学院，

山东 烟台 264005）

摘要：碳纳米管是由石墨层片卷成的管状结构的一种新型纳米材料，拥有独特的物理化学、电学、热学和机械性能以及十分诱人的应用前景。文章对碳纳米管的制备方法、性质、纯化及应用前景进行了简要的综述。

关键词：碳纳米管；合成；性能；纯化；应用

中图分类号G 311 文献标识码 A

Progress of Research for Carbon Nanotubes

Wang Quanjie 1,2,Wang Yanqing 1

（1.College of Resource and Environment，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021,China；2. Chemistry and Biology College，Yantai University，Yantai 264005,China）Abstract: Carbon nanotubes are a new class of nano-material with tubular structure formed via rolling-up of coaxial sheets of graphite. They have unique physicochemical, electrical, thermal and mechanical properties, opening up various intriguing possibilities for applications. The preparation methods, properties, methods of purification and application of carbon nanotubes are briefly reviewed.

Key words: carbon nanotubes；synthesis；property；purification；application 自1991年日本科学家Lijima发现碳纳米管(Carbon Nanotubes,简称CNTs)，1992年Ebbesn等人提出了实验室规模合成碳纳米管的方法后，其独特的结构和物理化学性质受到人们越来越多的关注[1]。碳纳米管因具有尺寸小、机械强度高、比表面大、电导率高、界面效应强等特点,从而使其具有特殊的机械、物化性能，在工程材料、催化、吸附、分离、储能器件电极材料等诸多领域中具有重要的应用前景。

*基金来源：山东省科技攻关项目（2008GG10003020）

**第一作者简介：王全杰，男，1950年生，教授

***通讯联系人

1 基本特性

碳纳米管可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管两种主要类型[2]。单壁碳纳米管（SWNTs）由单层石墨卷成柱状无缝管而形成，是结构完美的单分子材料；多壁碳纳米管（MWNTs）可看作由多个不同直径的单壁碳纳米管同轴套构而成。单壁碳纳米管根据六边环螺旋方向（螺旋角）的不同，可以是金属型碳纳米管，也可以是半导体型碳纳米管，并可以用碳纳米管的螺旋矢量参数（n，m）来表征。当n=m时，称为扶椅型碳纳米管，是金属型碳纳米管；当n=0或m=0时，称为锯齿型碳纳米管；当n和m为不相等的整数时，称为螺旋型碳纳米管。锯齿型和螺旋型碳纳米管既可以是金属型碳纳米管，也可以是半导体型碳纳米管。如果n-m=3k （k为非零整数），则为半导体型碳纳米管，否则为金属型碳纳米管。

多壁碳纳米管的电学性能和单壁碳纳米管相近，金属型单壁碳纳米管和金属型多壁碳纳米管均是弹道式导体[3-4]，大电流通过不产生热量，每平方厘米最大电流密度可达1013A。碳纳米管也是优良的热传导材料，多壁碳纳米管的热传导系数超过3000w/m*k，高于天然金刚石和石墨原子基面的热传导系数(2000w/m*k)。碳纳米管还是很好的超导材料[5]，单壁碳纳米管的超导温度和直径相关，直径越小超导温度越高。直径为1.4nm时，超导温度为1.55k,直径0.5nm时，超导温度为5k,直径0.4nm时，超导温度为20k。

碳纳米管还有非常好的力学性能[6],单壁碳纳米管不但坚硬而且强度很高，是一种绝好的纤维材料，它的性能优于当前的任何纤维，它既具有碳纤维的固有性质，又具有金属材料的导电导热性，陶瓷材料的耐热耐蚀性，纺织纤维的柔软可编性，以及高分子材料的轻度易加工性，是一种一材多能和一材多用的功能材料和结构材料，可望应用于材料领域的多个方面。

2 碳纳米管的制备

碳纳米管自从被发现以来，其研究和开发利用得到人们越来越多的关注。但由于低的生产能力和高昂的价格，碳纳米管的研究受到了较大阻力。因此开发高效率、低成本的工业化生产技术也成为碳纳米管研究的热点之一。经过十几年的努力，目前已开发出多种生产工艺[7-8]。主要包括：激光蒸发合成法、电弧法、化学汽相沉积法（CVD法）、低温固态热解法、离子轰击生长法、太阳能法、电解法、

聚合物制备法、原位催化法、爆炸法及水热合成法等生产工艺。其中激光蒸发合成法、电弧法和CVD法为主导工艺，并在碳纳米管的工业化生产中使用。激光法和电弧法主要用于单壁碳纳米管的生产，而CVD法主要用于多壁碳纳米管的生产。由于高压一氧化碳工艺的研制成功，CVD法也成为单壁碳纳米管生产的主导工艺，日产量已达到公斤级。下文主要介绍激光蒸发合成法、电弧法和CVD法这三种方法。

2.1 激光蒸发合成法

激光蒸发合成法制备富勒烯和CNTs是由Smalley等人[9]首先提出的，由于激光器的能量密度比其他装置都要高，因此它特别适合于蒸发像碳这样的高沸点物质。所用的激光器一般为CO2激光器，将含催化剂的碳靶置于管式电炉中心，通入一定流速和压力的Ar气,然而将激光束照射到靶上时,碳受热挥发并生成SWNTs,后者由Ar气带到水冷陷阱被捕集。采用激光蒸发合成法可以得到高质量的SWNTs,并且还能有效地控制碳纳米管的直径。

2.2 电弧法

电弧放电是最早发现的一种制备方法，当在一对石墨电极上加直流电压,使之发生电弧放电时,阳极的一部分挥发成含富勒烯的烟灰,而另一部分挥发物则沉积在阴极上,Lijima就是在后面这种沉积物中首次发现了CNTs，CNTs具有多层石墨卷制而成的管状结构,因而称为多壁碳纳米管[10-11]。目前已经在He气氛中进行电弧放电大规模地制备MWNTs，气氛对碳纳米管产品的纯度影响较大,一般情况下H2气氛中容易获得高结晶度的MWNTs，既使在产品中混有少量的纳米碳颗粒,也可以在空气中用红外辐射加热至500℃除去。用此法得到的MWNTs的石墨层间距约0.34nm,管内径约0.7nm，与C60的直径相近。

2.3化学汽相沉积法(CVD)

化学汽相沉积法(CVD)是另一种常用的制CNTs的方法。此法一般以烃类为原料,在金属催化剂存在条件下进行热分解，与前2种方法相比,CVD法更为简单经济，因它不需要特殊设备，而且可以在较低温度和常压下进行，但此法得到的产品结晶度较低，由于所用的烃类原料的多样性(气、液或固态)，得到的产品亦可以具有多种形态，如粉末、膜或管状物(排列整齐的、杂乱的、直的或螺旋状的)