碳纳米管及其应用研究

碳纳米管及其应用研究

作者：成尔军

来源：《中小企业管理与科技·下旬》2010年第02期

摘要:碳纳米管的发现是碳团簇领域的又一重大科研成果,本文探讨了碳纳米管的结构、特性、活化方法,评述了这种纳米尺寸的新型碳材料在电化学器件、氢气存储、场发射装置、碳纳米管场效应晶体管、催化剂载体、碳纳米管修饰电极领域的应用价值,展望了碳纳米管的介入对全球性物理、化学及材料等学科界所带来的美好前景。

关键词:碳纳米管结构性质应用

1 碳纳米管的发现

1991年,日本NEC科学家Iijima在制取C60的阴极结疤中首次采用高分辨隧道电子显微镜(HRTEM)发现一种外径为515nm、内径213nm、仅由两层同轴类石墨圆柱面叠合而成的碳结构。进一步的分析表明,这种管完全由碳原子构成,并看成是由单层石墨六角网面以其上某一方向为轴,卷曲360°而形成的无缝中空管。相邻管子之间的距离约为0.34nm,与石墨中碳原子层与层之间的距离0.335nm相近,所以这种结构一般被称为碳纳米管,这是继C60之后发现的碳的又一同素异形体,是碳团簇领域的又一重大科研成果[1]。

2 碳纳米管的结构

碳纳米管(CNT)又名巴基管,是一种具有特殊结构(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)的一维量子材料。它是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷绕而成的无缝、中空的“微管”,每层由一个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形组成的圆柱面。根据形成条件的不同,碳纳米管存在多壁碳纳米管(MWNTs)和单壁碳纳米管(SWNTs) 两种形式。MWNTs一般由几层到几十层石墨片同轴卷绕构成,层间间距为0.34nm左右,其典型的直径和长度分别为 2-30nm0.1-50μm.SWNTs由单层石墨片同轴卷绕构成,其侧面由碳原子六边形排列组成,两端由碳原子的五边形封顶。管径一般从10-20nm,长度一般可达数十微米,甚至长达20cm[2]。

3 碳纳米管的活化

一般认为,在碳纳米管表面引入一些电活性基团,经过活化才能有较好的电化学响应。活化的方法一般分为两类:①在制成电极前对碳纳米管进行活化,包括在气相中用空气或等离子体氧化或用酸(主要是浓HNO3)氧化。以浓HNO3处理碳纳米管的方法是:将碳纳米管在浓硝酸中浸

泡10小时后,100℃浓硝酸回流5-6小时。再将得到的悬浊液离心分离、烘干,得到粉末状开管

硝基化的碳纳米管。取1mg分散至3ml的N-N-二甲基甲酰胺(DMF)中,超声分散15分钟,备用。②制成电极后,用电化学方法进行活化,即将碳纳米管电极在一定溶液中(如磷酸盐缓冲溶液)于一定电位范围内循环扫描。经过活化以后,根据所用介质的不同,可以在碳管表面引入含氧、甚至含硫的基团,一般包括羟基、羰基、羧基、酚类和醌类化合物等,这些电活性基团可以催化或促进其他物质的电子传递反应。

4 碳纳米管的性质

4.1 奇异的导电性碳纳米管的性质与其结构密切相关。由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同,所以具有很好的电学性能。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTs的管径大于6mm时,导电性能下降;当管径小于6mm时,CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。

4.2优异的力学性质除了奇特的导电性质之外,碳纳米管还有非凡的力学性质。理论计算表明,碳纳米管应具有极高的强度和极大的韧性。由于碳纳米管中碳原子间距短、单层碳纳米管

的管径小,使得结构中的缺陷不易存在,因此单层碳纳米管的杨氏模量据估计可高达5太帕,其强度约为钢的100倍,而密度却只有钢的1/6。因此,碳纳米管被认为是强化相的终极形式,人们估

计碳纳米管在复合材料中的应用前景将十分广阔。

4.3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。虽然在管轴平行方向的热交换性能很高,但在其垂直方向的热交换性能较低。纳米管的横向尺寸比多数在室温至150℃电介质的品格振动波长大一个量级,这使得弥散的纳米管在散布声子界面的形成中是有效的,同时降低了导热性能。适当排列碳纳米管可得到非常高的各向异性热传导材料。

4.4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(0.343nm),是具有更加优良的储氢性能,也成为科学家们关注的焦点。1997年,A. C. Dillon对单壁碳纳米管(SWNT)的储氢性能做了研究,SWNT在0℃时,储氢量达到了5%。DeLuchi指出:一辆燃料机车行驶500km,消耗约31kg的氢气,以现有的油箱来推算,需要氢气储存的重量和体积能量密度达

到65%和62kg/m3。这两个结果大大增加了人们对碳纳米管储氢应用前景的希望。

5碳纳米管的应用

由于碳纳米管具有优良的电学和力学性能,被认为是复合材料的理想添加相。碳纳米管作

为加强相和导电相,在纳米复合材料领域有着巨大的应用潜力。

5.1 电化学器件碳纳米管具有非常高的比表面积、导电性能和良好的机械性能,是电化学领域所需的理想材料。碳纳米管电容器具有非常好的放电性能,能在几毫秒的时间内将所存储的

能量全部放出,这一优越性能已在混合电力汽车中开始实验使用。由于可在瞬间释放巨大电流,为汽车瞬间加速提供能量,同时也可用于风力发电系统稳定电压和小型太阳能发电系统的能量存储。锂离子电池是碳纳米管应用研究领域之一。碳纳米管锂离子电池容量大,放电速度快,充放电容量达到1000mA.h/g,大大高于石墨(372mA.h/g)和球磨石墨粉(708mA.h/g)。

5.2氢气存储碳纳米管储氢是具有很大发展潜力的应用领域之一,室温常压下,约2/3的氢能从碳纳米管中释放出来,而且可被反复使用。碳纳米管储氢材料在燃料电池系统中用于氢气存储,对电动汽车的发展具有非常重要的意义,可取代现用高压氢气罐,提高电动汽车安全性。

5.3 场发射装置学术和工业界对碳纳米管电子器件的研究主要集中在场发射管(电子枪),其主要可应用在场发射平板显示器(FED)、荧光灯、气体放电管和微波发生器。碳纳米管平板显示器是最具诱人应用潜力和商业价值的领域之一。

5.4 碳纳米管场效应晶体管碳纳米管场效应晶体管的研制成功有力地证实了碳纳米管作为硅芯片继承者的可行性。尤其是目前,在科学家再也无法通过缩小硅芯片的尺寸来提高芯片速度的情况下,纳米管的作用将更为突出。

5.5 催化剂载体[3]碳纳米管由于尺寸小,比表面积大,表面的键态和颗粒内部不同,表面原子配位不全等导致表面的活性位置增加,是理想的催化剂载体材料。

5.6 碳纳米管修饰电极碳纳米管对生物分子活性中心的电子传递具有促进作用,能够提高酶分子的相对活性。与其它碳电极相比,碳纳米管电极由于其独特的电子特性和表面微结构,可以大大提高电子的传递速度,表现出优良的电化学性能。蔡称心等[4]报道了HRP在碳纳米管(CNT)修饰GC电极表面的固定及直接电化学。尹峰等[5]将多壁碳纳米管和聚丙烯胺层层自组装制得葡萄糖生物传感器,其灵敏度高,抗干扰能力强。

正因为碳纳米管与生物材料有着特殊的相互作用,人们已经将碳纳米管应用到化学及生物分析中,目前国内外已有很多学者对碳纳米管在生物传感器领域的应用进行了大量的理论和实践研究,并取得了突破性的进展,充分显示了碳纳米管作为新型电极材料的应用前景。

参考文献:

[1]王丽江,陈松月,刘清君等.纳米技术在生物传感器及检测中的应用[J].传感技术学

报.2006.19(3).581-587.

[2]高盐生,董江庆,徐晓燕.纳米技术在生物传感器中的研究应用[J].江苏化工.2008.36(3).4-6.

[3]王敏炜,李凤仪,彭年才.碳纳米管—新型的催化剂载体[J].新型碳材料.2002.17.75-79.