单壁碳纳米管

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单壁碳纳米管的结构控制生长方

法研究

张锦22014-3-3116:00-16:50sps技术与稀土功能材料张久兴32014-4-2515:00-16:20最高引用高分子论文评析江明

42014-5-2215:00-16:06Infrared transmitting glasses

for night vision and energy

applications

章向华

52014-06-0514:30-15:50

Methodologies toward

Efficient Syntheses of Chiral

Natural Products and Drugs

汤文军、马利

单壁碳纳米管

刘文菊①

中山大学化学与化学工程学院, 广东广州510275, 11320143）

摘要单壁碳纳米管具有多种优良性能，在多个领域均有广阔应用前景，可使用多种方法制备，如电弧放电法、催化裂解法、激光蒸发法、热解聚合物法、水热合成法和电解法等方法。关键词单壁碳纳米管合成方法应用

1引言

碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs），又名巴基管，是一种具有特殊结构的一维量子材料，其特征是：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。碳纳米管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0.34nm，直径一般为2~20nm。并且根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。其中螺旋型的碳纳米管具有手性，而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。

碳纳米管可看作是由石墨层卷曲而成的无缝管，当石墨层为单层时，对应的为单壁碳纳米管（Single Walled Carbon Nanotubes，SWNTs）；当石墨层为两层或多层时，则分别对应双壁或多壁碳纳米管。[1]

碳纳米管的强度和弹性模量极高、热稳定性极好，可制造高强度、稳定性好的轻型复合增强性功能材料，具有巨大的潜在应用价值。而单壁碳纳米管最能体现碳纳米管的性质特点，单壁碳纳米管的发现与研究已经被Science评为1997年人类十大发现之一，足可证明单壁碳纳米管的巨大潜力。

图1 由石墨烯片层卷曲成SWNT的示意图[1]

2SWNT的合成方法

单壁碳纳米管的制备方法众多，其中最为成熟、应用最多的方法主要包括电弧放电法和催化裂解法。除以上两种方法以外，激光蒸发法、热解聚合物法、水热合成法和电解法等方法也被用于单壁碳纳米管的制备。[2]

1.1电弧放电法

电弧放电法是制备碳纳米管的传统方法。1991年Ando教授用电弧放电法制得电极，Iimija教授在制得的电极中发现了碳纳米管[3]。其一般工艺通常是在惰性气氛中，在相距几毫米的石墨电极之间，在强电流的作用下产生电弧放电，阳极不断消耗，在阴极表面形成沉积物。同时对阴极进行水冷却处理，以防止碳管出现过多的缺陷影响碳纳米管的质量。电弧放电法制备的碳纳米管尺寸小，而且由于阴极沉积物沉积时的温度太高（电弧能产生4000K 高温），导致所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，对随后的分离和提纯不利。

王淼等人[4]用单根给定长度的含有金属的复合石墨阳极与阴极成一定角度在高温氦电弧中放电数分钟，即可获得1.0g以上含有60%左右的单壁碳纳米管的生成物，反复实验及电子显微镜分析表明，利用该方法和工艺条件，可以获得高产量、高纯度单壁碳纳米管，这为高纯单壁碳纳米管的规模化生产奠定了基础。

王新庆等人[5]钨以代替传统的石墨棒作为放电阴极，采取循环式往返放电法，同时利用高分辨透射电子显微镜及拉曼光谱对制备的单壁纳米碳管进行了观察、表征，实验证明：以钨为阴极的循环电弧放电法可以初步实现单壁纳米碳管的高效率、大批量生产。

1.2催化裂解法

催化裂解法是目前应用广泛、最易实现大规模生产的一种制备碳纳米管的方法。其一般工艺是在高温下，含碳源的气体如乙炔、丙烯等流经金属催化剂（铁、钴、镍等）表面时热分解出碳原子，碳原子在金属微粒中扩散，最终在催化剂微粒另一面释放出来，形成碳纳米管。催化裂解法制得的碳纳米管产量高，但相对电弧放电法质量较差，管身虽长，但卷曲不直，管径不均匀，石墨化程度较低，缺陷较多。

韦进全等人[6]采用浮动催化裂解法制备单壁碳纳米管，以苯为碳源、二茂铁为催化剂、

氢气为载气、噻吩为添加剂。实验后采用扫描电镜、透射电镜、高分辨透射电镜以及拉曼谱等方法对产物进行检测与评估，实验表明浮动催化裂解法制备出来的单壁碳纳米管直径约为1 nm，直径分布较均匀，可以半连续、低成本地生产大量单壁碳纳米管。

朱宏伟等人[7]使用立式浮动催化裂解法制备单壁碳纳米管，以正己烷为碳源，实现了单层碳纳米管的低成本大批量连续制备，并使用Raman光谱和电子显微镜对膜状、绳状及网状产物的直径分布、结构及纯度进行了分析，结果表明该方法制备的单层碳纳米管束定向性良好，直径分布较宽（0.7~2.0nm），纯度可达80%以上。

3SWNT的应用

碳纳米管具有极高的强度和弹性、优良的热稳定性，理论上单壁碳纳米管的拉伸强度为钢的100倍，而质量只有钢的16.7%，延伸率可达20%，是一种绝佳的纤维材料，在电子领域、储氢和复合材料方面均有极大的应用潜力。

3.1电子领域

由于单壁碳纳米管的顶端可做的极为尖锐，并可在低激发电场下发射电子，加之单壁碳纳米管的碳碳键作用十分强，可使单壁碳纳米管使用时间延长，因此单壁碳纳米管可用于制作轻薄省电的平面显示装置。

另外，单壁碳纳米管还可用于制作传感器、大容量超级电容器、半导体器件等电子器件。

3.2储氢

单壁碳纳米管具有中空的管道结构，可用于储存氢气。碳纳米管的碳原子存在一个悬挂键，可吸附气体分子形成共价键达到饱和，具有高储氢量、低质量密度和高稳定性等优点。

3.3复合材料

单壁碳纳米管具有优异的热力学性质，通过复合可以改善其他材料的性能，在金属、高分子、陶瓷等材料中加入一定量的碳纳米管，不仅可以明显地提高材料的热力学性质，而且