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碳納米管及其應(yīng)用研究
碳納米管又名巴基管，是一種徑向尺寸為納米量級(jí)，軸向尺寸為微米量級(jí)、管子兩端基本上都封口的一維量子材料，下面是一篇關(guān)于碳納米管應(yīng)用的論文范文，供大家閱讀參考。
摘要：碳納米管的發(fā)現(xiàn)是碳團(tuán)簇領(lǐng)域的又一重大科研成果，本文探討了碳納米管的結(jié)構(gòu)、特性、活化方法，評(píng)述了這種納米尺寸的新型碳材料在電化學(xué)器件、氫氣存儲(chǔ)、場(chǎng)發(fā)射裝置、碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管、催化劑載體、碳納米管修飾電極領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值，展望了碳納米管的介入對(duì)全球性物理、化學(xué)及材料等學(xué)科界所帶來(lái)的美好前景。
關(guān)鍵詞：碳納米管 結(jié)構(gòu) 性質(zhì) 應(yīng)用
1 碳納米管的發(fā)現(xiàn)
1991年，日本NEC科學(xué)家Iijima在制取C60的陰極結(jié)疤中首次采用高分辨隧道電子顯微鏡(HRTEM)發(fā)現(xiàn)一種外徑為515nm、內(nèi)徑213nm、僅由兩層同軸類(lèi)石墨圓柱面疊合而成的碳結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步的分析表明，這種管完全由碳原子構(gòu)成，并看成是由單層石墨六角網(wǎng)面以其上某一方向?yàn)檩S，卷曲360°而形成的無(wú)縫中空管。相鄰管子之間的距離約為0.34nm，與石墨中碳原子層與層之間的距離0.335nm相近，所以這種結(jié)構(gòu)一般被稱(chēng)為碳納米管，這是繼C60之后發(fā)現(xiàn)的碳的又一同素異形體，是碳團(tuán)簇領(lǐng)域的又一重大科研成果[1]。
2 碳納米管的結(jié)構(gòu)
碳納米管(CNT)又名巴基管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)(徑向尺寸為納米量級(jí)，軸向尺寸為微米量級(jí)、管子兩端基本上都封口)的一維量子材料。它是由單層或多層石墨片圍繞中心軸按一定的螺旋角卷繞而成的無(wú)縫、中空的“微管”，每層由一個(gè)碳原子通過(guò)sp2雜化與周?chē)?個(gè)碳原子完全鍵合后所構(gòu)成的六邊形組成的圓柱面。根據(jù)形成條件的不同，碳納米管存在多壁碳納米管(MWNTs)和單壁碳納米管(SWNTs) 兩種形式。MWNTs一般由幾層到幾十層石墨片同軸卷繞構(gòu)成，層間間距為0.34nm左右，其典型的直徑和長(zhǎng)度分別為 2-30nm0.1-50μm.SWNTs由單層石墨片同軸卷繞構(gòu)成，其側(cè)面由碳原子六邊形排列組成，兩端由碳原子的五邊形封頂。管徑一般從10-20nm，長(zhǎng)度一般可達(dá)數(shù)十微米，甚至長(zhǎng)達(dá)20cm[2]。
3 碳納米管的活化
一般認(rèn)為，在碳納米管表面引入一些電活性基團(tuán)，經(jīng)過(guò)活化才能有較好的電化學(xué)響應(yīng)。活化的方法一般分為兩類(lèi)：①在制成電極前對(duì)碳納米管進(jìn)行活化，包括在氣相中用空氣或等離子體氧化或用酸(主要是濃HNO3)氧化。以濃HNO3處理碳納米管的方法是：將碳納米管在濃硝酸中浸泡10小時(shí)后，100℃濃硝酸回流5-6小時(shí)。再將得到的懸濁液離心分離、烘干，得到粉末狀開(kāi)管硝基化的碳納米管。取1mg分散至3ml的N-N-二甲基甲酰胺(DMF)中，超聲分散15分鐘，備用。②制成電極后，用電化學(xué)方法進(jìn)行活化，即將碳納米管電極在一定溶液中(如磷酸鹽緩沖溶液)于一定電位范圍內(nèi)循環(huán)掃描。經(jīng)過(guò)活化以后，根據(jù)所用介質(zhì)的不同，可以在碳管表面引入含氧、甚至含硫的基團(tuán)，一般包括羥基、羰基、羧基、酚類(lèi)和醌類(lèi)化合物等，這些電活性基團(tuán)可以催化或促進(jìn)其他物質(zhì)的電子傳遞反應(yīng)。
4 碳納米管的性質(zhì)
4.1 奇異的導(dǎo)電性 碳納米管的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。由于碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，所以具有很好的電學(xué)性能。理論預(yù)測(cè)其導(dǎo)電性能取決于其管徑和管壁的螺旋角。當(dāng)CNTs的管徑大于6mm時(shí)，導(dǎo)電性能下降;當(dāng)管徑小于6mm時(shí)，CNTs可以被看成具有良好導(dǎo)電性能的一維量子導(dǎo)線。
4.2 優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì) 除了奇特的導(dǎo)電性質(zhì)之外，碳納米管還有非凡的力學(xué)性質(zhì)。理論計(jì)算表明，碳納米管應(yīng)具有極高的強(qiáng)度和極大的韌性。由于碳納米管中碳原子間距短、單層碳納米管的管徑小，使得結(jié)構(gòu)中的缺陷不易存在，因此單層碳納米管的楊氏模量據(jù)估計(jì)可高達(dá)5太帕，其強(qiáng)度約為鋼的100倍，而密度卻只有鋼的1/6。因此，碳納米管被認(rèn)為是強(qiáng)化相的終極形式，人們估計(jì)碳納米管在復(fù)合材料中的應(yīng)用前景將十分廣闊。
4.3 良好的熱學(xué)性能 一維管具有非常大的長(zhǎng)徑比，因而大量熱是沿著長(zhǎng)度方向傳遞的，通過(guò)合適的取向，這種管子可以合成高各向異性材料。雖然在管軸平行方向的熱交換性能很高，但在其垂直方向的熱交換性能較低。納米管的橫向尺寸比多數(shù)在室溫至150℃電介質(zhì)的品格振動(dòng)波長(zhǎng)大一個(gè)量級(jí)，這使得彌散的納米管在散布聲子界面的形成中是有效的，同時(shí)降低了導(dǎo)熱性能。適當(dāng)排列碳納米管可得到非常高的各向異性熱傳導(dǎo)材料。
4.4 優(yōu)良的儲(chǔ)氫性能 碳納米管的中空結(jié)構(gòu)，以及較石墨(0.335nm)略大的層間距(0.343nm)，是具有更加優(yōu)良的儲(chǔ)氫性能，也成為科學(xué)家們關(guān)注的焦點(diǎn)。1997年，A. C. Dillon對(duì)單壁碳納米管(SWNT)的儲(chǔ)氫性能做了研究，SWNT在0℃時(shí)，儲(chǔ)氫量達(dá)到了5%。DeLuchi指出:一輛燃料機(jī)車(chē)行駛500km，消耗約31kg的氫氣，以現(xiàn)有的油箱來(lái)推算，需要?dú)錃鈨?chǔ)存的重量和體積能量密度達(dá)到65%和62kg/m3。這兩個(gè)結(jié)果大大增加了人們對(duì)碳納米管儲(chǔ)氫應(yīng)用前景的希望。
5 碳納米管的應(yīng)用
由于碳納米管具有優(yōu)良的電學(xué)和力學(xué)性能，被認(rèn)為是復(fù)合材料的理想添加相。碳納米管作為加強(qiáng)相和導(dǎo)電相，在納米復(fù)合材料領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。
5.1 電化學(xué)器件
碳納米管具有非常高的比表面積、導(dǎo)電性能和良好的機(jī)械性能，是電化學(xué)領(lǐng)域所需的理想材料。碳納米管電容器具有非常好的放電性能，能在幾毫秒的時(shí)間內(nèi)將所存儲(chǔ)的能量全部放出，這一優(yōu)越性能已在混合電力汽車(chē)中開(kāi)始實(shí)驗(yàn)使用。由于可在瞬間釋放巨大電流，為汽車(chē)瞬間加速提供能量，同時(shí)也可用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定電壓和小型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)。鋰離子電池是碳納米管應(yīng)用研究領(lǐng)域之一。碳納米管鋰離子電池容量大，放電速度快，充放電容量達(dá)到1000mA.h/g，大大高于石墨(372mA.h/g)和球磨石墨粉(708mA.h/g)。
5.2 氫氣存儲(chǔ)
碳納米管儲(chǔ)氫是具有很大發(fā)展?jié)摿Φ膽?yīng)用領(lǐng)域之一，室溫常壓下，約2/3的氫能從碳納米管中釋放出來(lái)，而且可被反復(fù)使用。碳納米管儲(chǔ)氫材料在燃料電池系統(tǒng)中用于氫氣存儲(chǔ)，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展具有非常重要的意義，可取代現(xiàn)用高壓氫氣罐，提高電動(dòng)汽車(chē)安全性。
5.3 場(chǎng)發(fā)射裝置
學(xué)術(shù)和工業(yè)界對(duì)碳納米管電子器件的研究主要集中在場(chǎng)發(fā)射管(電子槍)，其主要可應(yīng)用在場(chǎng)發(fā)射平板顯示器(FED)、熒光燈、氣體放電管和微波發(fā)生器。碳納米管平板顯示器是最具誘人應(yīng)用潛力和商業(yè)價(jià)值的領(lǐng)域之一。
5.4 碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管
碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管的研制成功有力地證實(shí)了碳納米管作為硅芯片繼承者的可行性。尤其是目前，在科學(xué)家再也無(wú)法通過(guò)縮小硅芯片的尺寸來(lái)提高芯片速度的情況下，納米管的作用將更為突出。
5.5 催化劑載體[3]碳納米管由于尺寸小，比表面積大，表面的鍵態(tài)和顆粒內(nèi)部不同，表面原子配位不全等導(dǎo)致表面的活性位置增加，是理想的催化劑載體材料。
5.6 碳納米管修飾電極 碳納米管對(duì)生物分子活性中心的電子傳遞具有促進(jìn)作用，能夠提高酶分子的相對(duì)活性。與其它碳電極相比，碳納米管電極由于其獨(dú)特的電子特性和表面微結(jié)構(gòu)，可以大大提高電子的傳遞速度，表現(xiàn)出優(yōu)良的電化學(xué)性能。蔡稱(chēng)心等[4]報(bào)道了HRP在碳納米管(CNT)修飾GC電極表面的固定及直接電化學(xué)。尹峰等[5]將多壁碳納米管和聚丙烯胺層層自組裝制得葡萄糖生物傳感器，其靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)。
正因?yàn)樘技{米管與生物材料有著特殊的相互作用，人們已經(jīng)將碳納米管應(yīng)用到化學(xué)及生物分析中，目前國(guó)內(nèi)外已有很多學(xué)者對(duì)碳納米管在生物傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了大量的理論和實(shí)踐研究，并取得了突破性的進(jìn)展，充分顯示了碳納米管作為新型電極材料的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn):
[1]王麗江，陳松月，劉清君等.納米技術(shù)在生物傳感器及檢測(cè)中的應(yīng)用[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào).2006.19(3).581-587.
[2]高鹽生，董江慶，徐曉燕.納米技術(shù)在生物傳感器中的研究應(yīng)用[J].江蘇化工.2008.36(3).4-6.
[3]敏煒，李鳳儀，彭年才.碳納米管—新型的催化劑載體[J].新型碳材料.2002.17.75-79.
[4]蔡稱(chēng)心，陳靜.碳納米管電極上辣根過(guò)氧化物酶的直接電化學(xué)[J].化學(xué)學(xué)報(bào).2004.62(3).335-340.
[5]尹峰，趙紫霞，吳寶艷.基于多壁碳納米管和聚丙烯胺層層自組裝的葡萄糖生物傳感器[J].分析學(xué).2007.35(7).1021-1024
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