碳纳米材料的制备及应用

ｎ ｎ ｔｂ ｓ（ ＷＣ Ｔ ）ａ ｄ ｄ ｕ ｌ— ａ ｅ Ｎ ｓ（ ＷＣ Ｔ ）ｂ ｙ ｒｇｎ ａｃ ｄ ｃ ａｇ ．Ｈ ｇ —ｕｌｙ ａ ｏｕ ｅ Ｓ Ｎ ｓ ｎ ｏ ｂｅｗ ｌ ｄ Ｃ Ｔ Ｄ Ｎ ｓ ｙ ｈ ｄｏｅ ｒ ｉ ｈ ｒｅ ｉ ｑ ａ ｔ ｌ ｓ ｈ ｉ
ｍｕｔｗ ｌ ｄ Ｃ Ｔ ＭＷＣ Ｔ ）ｗｔ ｎ —ｉ ｅ ｓ ｎ ｌｑ ａｔｍ ｃｎ ｎ ｍ ｎ ｅ ｅｔ ｎ ｈ ｏ ｔ ｌ ｄ ｌ— ａ ｅ Ｎ ｓ（ ｉ ｌ Ｎ ｓ ｉ ｏ ｅｄｍ ｎｉ ａ ｕ ｎｕ ｏｆ ｅ ｅ ｔ ｆ ｃ，ａｄ ｔｅ ｃｎｒ ｌ ｈ ｏ ｉ ｆ ｏｅ
研制出国内首台带有碳纳米管捕集装置 的碳纳米管
制 备 系统 ， 申请 了 国家 发 明专 利 （０ ００６４ ８ 并 ２ １ １５ １６ ． ｘ） 碳 纳米 管制 备系 统如 图 １ 示 ． ． 所
离 推 翻 了“ 热力 学 涨 落不 允 许 二 维 晶体 在 有 限温
度下 自由存在” 的认知 ， 震撼 了整个物理学界． 石墨
烯是 碳 原子 紧密 堆积 成单 层二 维蜂 窝 状 晶格 结 构 的 碳单 质 材料 ， 是 构 筑 零 维 富 勒 烯 、 一 维 碳 纳 米 它 准 管、 三维 体 相 石 墨 的 “ 建材 ” 卡 拜 是 ｓ 化 轨 道 成 ． ｐ杂
键 的一 维碳原 子链 （ａｂ ｎｃ ａ ， － ａ ） 它是 真正 ｃｒｏ ｈｉ Ｃ ｃ ｉ ， ｎ ｈｎ
在 发 现 Ｃ ０以前 ， 们 一 直 认 为 碳 元 素 只 有 金 ６ 人
刚石和石墨 ２种 晶体结构．９ ５年 ， １８ 富勒烯 的发现 极 大地 拓 展 了人 类 对 碳 材 料 的认 识 ． ９ １年 ， １９ 碳
纳米 管 的发 现 则是 纳米 科技 和材 料学 史上 的一 个
里 程 碑 ． ０ ４年 ， 定 单 原 子 层 石 墨 烯 的 成 功 分 ２０ 稳
（９ ２ Ｍ ７ ０ ） 二 ０ ５ Ｎ ０ １０ ；Ｊ 海市教委科技创新基 金资助项 目（ ９ Ｚ ５ ０Ｚ ８） 通信作者 ： 赵新 洛（９ ９～） 男 ， １５ ， 教授 ， 博士生 导师 ， 研究方 向为碳纳米材料．Ｅ ｍａ ：ｌ ａ＠ｓｕ ｅｕ ｃ － ｉ ｘ ｈｏ ｈ ・ｄ ・ｎ ｌ ｚ
Ｆａ ｉａ ｉ ｎ ａ ｂｒｃ ｔｏ ｎｄ Ａｐｐ ｉａ ｉ ｎ ｆＣａ ｂｏ ｎ ｍ ａ ｅ ｉ ｌ ｌｃ ｔｏ ｓ ｏ ｒ ｎ Ｎａ ｏ ｔ ｒａ ｓ
ＺＨＡＯ ｎ ｌ Ｘｉ —ｕｏ 一， ＹＵ ． ｄ Ｌｉｎ ｎｇ 一， ＳＨＥＮＧ ｅ — ｉ ， ＡＮ ｎ Ｌ ｉｍｅ Ｋａ ｇ ＇
ｐ ｏ ｓｎｇ ａ ｐ ｉａ ｉｎｓ Ｔｈ ｓ ａ ｅ ｒ ｖｄ ｓ ｂ ｉｆ ｒ ｖ ｅ ｒ ｍｉｉ ｐ ｌｃ ｔｏ ． ｉ ｐ ｐ ｒ ｐ ｏ ｉ ｅ ａ ｒｅ ｅ ｉｗ ｏ ｅ ｅ ｔ ｒ ｇ ｅ ｓ ｆ ｃ ｒ ｏ ｎ ｎ ｍａｅ ｉ ｌ ｆ ｒ ｃ ｎ ｐ ｏ ｒ ｓ ｏ ａ ｂ ｎ ａ ｏ ｔ ｒａｓ ｒ ｓ ａ ｃ ｎ ｎｓｉｕ ｅ ｆ Ｌｏ Ｄｉ ｎｓｏ ａ Ｃａ ｂ ｎ ａ ｄ ｅ ｅ ｒ ｈ ｉ Ｉ ｔｔ ｔ ｏ ｗ— ｍｅ ｉｎ ｌ ｒ ｏ ｓ ｎ Ｄｅ ｉ ｅ ｈ ｓｃ ， Ｓ ｎ ｈ ｉ ｖ ｃ Ｐ ｙ ｉ ｓ ｈａ ｇ ａ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ ｉ ｅ ｓｔ ｙ． Ｗ ｅ ｒ ａ ｅ ｓ ｃ ｅ ｓｕ ｎ ｍａ ｓ－ ｏ ｕ ｔ ｎ ａ ｐ ｌｃ ｔｏ ｆ ｈ ｇ ・ ｕ ｉ ａ ｄ ｈ ｇ － ｒ ｓａｌｎ ｔ ｉ ｇｅ－ ｌ ｄ ａｂ ｎ ｕ ｃ ｓ ｆ ｌｉ ｓ — ｄ ｃ ｉ ｎｄ ａ ｐ ｉ ａｉｎｓ ｏ ｉ ｈ・ ｒｔ ｎ ｉ ｈ－ ｙ ｔ ｌ ｉｙ ｓｎ ｌ － ｌ ｃ ｒ ｏ ｐｒ ｏ ｐ ｙ ｃ ｉ ｗａ ｅ
Ｋ， 单根 Ｍ Ｎ 单根碳纳米线的拉曼（ ａ ａ ） ＷＣ Ｔ、 Ｒ ｍ ｎ 光谱研究 以及石墨烯的大量制备等方面均取得了可喜 的成果．
关键词 ： 纳米管 ； 墨烯 ； 碳 石 碳链 ； 碳纳米线 ； 氢电弧放 电法
中 图 分 类 号 ： Ｂ３ ３ Ｔ ８ 文 献 标 志码 ： Ａ 文章 编 号 ： ０ ７２ ６ （ ０ １ ０ －４ ８０ １０ －８ １ ２ １ ） ０ ３ －９ ４
ｄ ｉ １ ． ９ ９ ｊ ｉ ｎ １ ０ —８ １ ２ １ ．４ ０ ｏ ： ０ ３ ６ ／ ．ｓ ． ０ ７２ ６ ． ０ ０ ． １ ｓ １ １
碳 纳 米 材 料 的 制备 及 应 用
赵 新 洛 ， 郁 黎 明 ， 盛 雷梅 ， 安 康 ，
（． １ 上海大学 理学 院 ， 上海 ２０ ４ ２ 上海大学 低维炭材 料与器件物理研究所 ， ０４ ４； ． 上海 ２ ０ ４ ） ０ ４ ４ 摘要 ： 碳纳 米材料具有独特 的低维 纳米 结构 、 优异 的性 能和潜在 的应用价值 ． 重点综述上 海大学低 维炭材料 与器件 物理研究所在碳纳米材料研 究方面的最新进展 ， 并对碳纳米材料 的发展 趋势及对未来生产生活 的影 响进 行评述 ． 研 究所在 高纯度高结 晶性 单壁碳纳米管 （ｉｇｅｗ ｌ ｄｃｒｏ ａｏｕｅ ，ＷＣ Ｔ ） 双壁碳纳米管 （ ｏｂｅｗ ｌ ｄＣ Ｔ ， ｓ ｌ—ａ ｅ ａ ｎｎｎｔｂｓ Ｓ Ｎ ｓ 、 ｎ ｌ ｂ ｄｕ ｌ ａ ｅ Ｎ ｓ ． ｌ Ｄ Ｎ ｓ 的大量生产与应用 ， ＷＣ Ｔ ） 具有量子效应的多壁碳纳米管 （ ｕ ｉ ａ ｅ Ｎ ｓＭ Ｎ ｓ 的合成 ， ｍ ｈ— ｌ ｄＣ Ｔ ， ＷＣ Ｔ ） ｗｌ 碳纳米线 的可控生
Ｋｅ ｏ ｄ ： ａｂ ｎｕ ｎｔｂ ｓ（ Ｎ ｓ ； ｒｐ ｅｅ ｃｒｏ ｈｉ ； ａｂ ｎｎｎ ｗｒ； ｙ ｒｇｎａｃ ｉ ｈｒｅ ｙｗ ｒ ｓ ｃｒｏ ａ ｏ ｅ Ｃ Ｔ ） ｇａ ห้องสมุดไป่ตู้ｎ ； ａｂｎｃａ ｃｒｏ ａｏ ｉ ｈ ｄｏｅ ｒ ｓ ａ ｕ ｎ ｅ ｄｃ ｇ
碳 元 素 足生 命 的骨 架 ， 人 类 最 早 接 触 并 利 用 是 的元 素之 一 ． 元 素 的最 大特 点 之 一 是 存 在众 多 的 碳
ｇ ｏ ｈ ｏ ａ ｂ ｎ ｎ ｎｏ ｒ ｓｈ ｖ ｅ ｒ ｐ ｒ ｄ ｓ ｃ ｓ ｆ ｌｙ Ｅｌ ｃｒ ｃ ｍ ｉａ ｈａａ ｔｒｓｉｓ ｏ ｒ ｐ ｅ ｅ ｒ ｗｔ ｆｃ ｒ ｏ ａ ｗｉｅ ａ ｅ ｂｅ ｎ ｐ ｅ ａ ｅ ｕｃ ｅ ｓｕ ｌ ． ｅ ｔｏ ｈｅ ｃ ｌｃ ｒ ｃｅ ｉｔｃ ｆｇ ａ ｈ ｎ
以及卡 拜 （ａｂｎ ，ｐ 等． 刚石 和 石 墨 属 于 块 ｃｒｙｅ ｓ ） 金 状 材料 ， 而富勒 烯 、 纳 米 管 、 墨 烯 及 卡 拜 等 则 是 碳 石 低 维碳 纳米 材 料 ． 英 国科 学 家 Ｋｏ 、 国 科 学 家 继 ｒｔ 美 ｏ
收 稿 日期 ：０ ｌ０ －１ ２ ｌ －６２ 基金项 目： 国家 自然 科 学基 金 资助 项 目（ ０ ７ １１ ； 海 市浦 江人 才 计划 资助 项 目（ ８ Ｊ４ ５ｏ ； 海市 纳米 技 术 专项 资 助项 １９ ４ ３ ） 上 ０ Ｐ １０ １ｏ） 上
Ａ ｂ ｔ ａ ｔ Ｃａ ｂ ｎ ａ ｏ ｔｒａ ｓ ｓｒ ｃ ： ｒ ｏ ｎ ｎ ｍａｅ ｉｌ ｗｉ ｌｗ— ｉ ｎ ｉｎ ｌ ａ ｏ ｔｕ ｔ ｅ ｏ ｓ ｓ ｓ ｅ ｉｒ ｒ ｐｅｔｅ ａ ｄ ｔ ｈ ｏ ｄ ｍｅ ｓｏ ａ ｎ ｎ ｓｒ ｃｕｒ ｐ ｓ ｅ ｓ ｕｐ ｒｏ ｐ ｏ ｒｉ ｓ ｎ
的一维碳 纳米材 料 ， 其直径 只有一个 碳原子 的大小． 碳 纳米 材 料 具 有 独 特 的 低 维 结 构 和 奇 异 的 电 学、 学 、 力 机械 特性 以及 量 子尺 寸效 应 ， 在新 能源 、 并 环境 、 生物 、 医药 、 息 、 天和微 波 吸 收等 领 域展 现 信 航
开 发
大学低维 炭材料 与 器件 物 理研 究 所成 立 于 ２０ ０８年 ５ 月， 主要 围绕 一维 、 碳纳 米材 料开 展 了大量 制备 、 二维 结构 表征 、 性 及应 用 研 究工 作 ， 且 已经 在 高 纯度 物 并
ｅ ａ ｕ ｔｄ ｎ ｃ ｉ ｔ ｐ ｃ ｉｓ ｅ ｓ ｔ ｌｉ ｌｔ ｕｍ ，ａ ｄ ｔ Ｒａ ｎ ｐ ｃ ｒ ｆ ｉｄ ｖ ｄ ａ ＭＷ ＣＮＴ ｏ ｖ ｌ ａ ｅ ｉ ｏｎ—ｙ ｅ ｅ ｌ ｖ ｒｕｓ ｍｅａｌｃ ｉ ｈｉ ｎ ｈｅ ｍａ ｓ ｅ ｔａ ｏ ｎ ｉ ｉ ｕ ｌ ｒ ｃ ｒ ｏ ａ ｏ ｒ ａ ｅｂ ｅ ｔｄｅ ａ ｂ ｎ ｎ ｎ ｗｉｅ ｈ ｖ ｅ ｎ ｓｕ ｉ ｄ．Ｔｈ ｕ ｕ ｅ ｔｅ ｄ ｏ ａ ｂ ｎ ｎ ｎｏ ｔ ｒａ ｅ ｅ ｏ ｅ ｆ ｔ ｒ ｒ ｎ ｆｃ ｒ ｏ ａ ｍａｅ ｉｌｄ ｖ ｌｐｍｅ ｔｉ ｉｃ ｓ ｄ． ｎ ｓ ｄ ｓ ｕｓｅ
碳 纳米 管 （ Ｎ ｓ ｓ 、 墨 烯 （ ｒｐ ｅ ｅ ｓ Ｃ Ｔ ，ｐ ） 石 ｇａ ｈ ｎ ，ｐ ）
吲素异 形 体 ， 如金 刚 石 （ ｉｎｎ ，ｐ ｄｉ ｄ ｓ ａｏ 杂化 轨 道 成 键 ） 石 墨 （ｒｐ ｉ ，ｐ ） 富 勒 烯 （ｕｌｒｎ ，ｐ） 、 、 ｇａｈｔ ｓ 、 ｅ ｆｌ ｅｅ ｓ。 … ｅ
国 内首 台直 流 电弧 等 离 子 体 法 金 属 超 微 粒 子 生 成 炉 ；０３年 ， 与 日本 Ｕ Ｖ Ｃ公 司合 作 研发 了 日本 ２０ 又 ＬＡ 首 台利 用 电弧 放 电法制 备高 品质 单壁 碳 纳米 管 的大 型专 用设 备 —— 碳 纳 米 管 实 验 装 置 ．０ ８年 ， 课 ２０ 本 题组 又与 中 国科 学 院沈 阳科 学仪 器 研 制 中 心合 作 ，
出 了许 多优异 的性 能 ， 呈现 出广 阔的应 用 前景 ． 海 上
图 １ 碳 纳米 管制备系统
Ｆ ｇ １ Ｓ ｓｅ ｆ ｒ ｆ ｂ ｉａ ｉ ｎ ｏ ａ ｂ ｎ ｎ ｎ ｔ ｂ ｓ ｉ ． ｙ ｔ ｍ ｏ ａ ｒｃ ｔ ｆｃ ｒ ｏ ａ ｏ ｕ ｅ ｏ
１２ 高 品质 单 壁 碳 纳 米 管 的大 量 制备 及 提 纯 技 术 ．
（ ．Ｃ ｌ ｇ ｆ ｃｅｃｓ ｈｎ ｈｉ ｎ ｅｓｙ Ｓ ａｇａ ２０ ４ Ｃ ｉ ； １ ｏｌ ｅｏ ｉ ｅ，Ｓ ａｇａ Ｕ ｉ ｒｉ ， ｈｎｈｉ ０４ ４， ｈｎ ｅ Ｓ ｎ ｖ ｔ ａ
２ ｎ ｔｕｅｏ ｏ — ｍｅ ｓｏ ａ ａｂ ｎ ｎ ｅ ｉｅ Ｐ ｙｉｓ ｈ ｎ ｈ ｉＵ ｉｅｓｔ ．Ｉ ｓｉ ｔ ｆＬ ｗ Ｄｉ ｎ ｉｎ ｌＣ ｒｏ ｓａ ｄ Ｄ ｖｃ ｈ ｓｃ ，Ｓ ａ ｇ ａ ｎｖ ｒｉ ｔ ｙ，Ｓ ａ ｇ ａ ０ ４ ４） ｈ ｎｈｉ ０４ ２
第 ４期
赵新洛 ， ： 等 碳纳米材料 的制备及应用
４９ ３
Ｓ ｌｙ和 Ｃ ｒ３人 因发 现 富勒 烯 … 而 获 得 １９ ｍａｅ ｌ ｕｌ ９６年
诺 贝 尔 化 学 奖 之 后 ， 国科 学 家 Ｎ ｖｓｌｖ和 Ｇ ｉ 英 ｏｏｅ ｏ ｅｍ 因成 功 制 备 了单 原 子 层 石 墨 烯 而被 授 予 了 ２ １ ００ 年诺 贝尔 物理学 奖 ．
第 １ ７卷 第 ４期
２１ ０ １年 ８月
』 二海 大 学 学 报 （ 然 科 学 版 ） 自
Ｊ Ｕ Ｎ ＬＯ Ｈ Ｎ Ｈ Ｉ Ｎ Ｖ Ｒ Ｉ Ｎ Ｔ Ｒ ＬＳ ＩＮ Ｅ Ｏ Ｒ Ａ ＦＳ Ａ Ｇ Ａ Ｉ Ｅ Ｓ Ｙ（ Ａ Ｕ Ａ ＣＥ Ｃ ） Ｕ Ｔ
Ｖｏ ．１ ． １ ７ ＮＯ ４ Ａｕｇ ２ ． ０１１