材料化学论文 1

我身边的材料

——碳纳米管

化学1002班 16号 索晶晶

摘要：介绍了碳纳米管的结构特征、分类，详细讨论了碳纳米管的几种制备方法及特点，并对碳纳米管的应用前景做了分析。 关键字：碳纳米管、结构、分类、制备、应用

碳纳米管自从1991年被发现以来，由于其独特的物理、化学性能引起了科研工作者的广泛兴趣，各国科技界对其。研究都取得了较大进展。现在，碳纳米管已成为纳米材料和纳米技术的研究热点，并将持续成为各国科技界所关注的焦点，科学家们还预测碳纳米管将成为21世纪最有前途的纳米材料。

一、碳纳米管的结构

碳纳米管具有典型的层状中空结构特征, 构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成。管身由六边形碳环微结构单元组成, 端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。碳纳米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，约为0.34nm ，直径一般为2～20nm 。由于其独特的结构，碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值，如：其独特的结构是理想的一维模型材料; 巨大的长径比使其有望用作坚韧的碳纤维，其强度为钢的100倍，重量则只有钢的1/6; 同时它还有望用作为分子导线，纳米半导体材料，催化剂载体，分子吸收剂和近场发射材料; 以碳纳米管为材料的显示器将是很薄的，可以像招贴画那样挂在墙上等。

二、碳纳米管的分类

（一）碳纳米管按照石墨烯片的层数分类可分为：单壁碳纳米管（Single-walled nanotubes, SWNTs）和多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes, MWNTs）。

多壁管在开始形成的时候，层与层之间很容易成为陷阱中心而捕

获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷。与多壁管相比，单壁管是由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。单壁管典型直径在0.6-2nm ，多壁管最内层可达0.4nm ，最粗可达数百纳米，但典型管径为2-100nm 。

（二）碳纳米管依其结构特征还可以分为三种类型：扶手椅式纳米管，锯齿形纳米管和手型纳米管。

三、碳纳米管的制备

碳纳米管的制备方法主要有电弧法、激光蒸发法和有化学气相沉积法（CVD 法）。其中前两种方法存在产量少，不易实现工业化生产的特；而CVD 法以其设备简单，成本低，反应过程容易控制，产量高等优点成为目前制备碳纳米管的主流。单壁碳纳米管产量只有克量级，制备技术难度大。多壁碳纳米管的制技术则较为成熟，产量可达每小时公斤级，并可对产物直径和定向性等进控制。

（一）电弧法

电弧法是最早用于制备碳纳米管的方法，也是最主要的方法。其主要艺是:在真空容器中充满一定压力的惰性气体或氢气，以掺有催化剂(金属镍、钻、铁等) 的石墨为电极，在电弧放电的过程中，阳极石墨被蒸发消耗时在阴极石墨上沉积碳纳米管，从而生产出碳纳米管。

电弧放电法制备单壁纳米碳管具有设备简单、原料易得、成本低的优势，一直受到科学工作者的关注；但是该法操作条件不易掌控，产物中单壁纳米碳管的含量取决于炉中的位置，不同位置的含量差别较大，且合成的单壁纳米碳管纯度不高，含有较多的无定形碳和金属颗粒，易缠结。电弧法目前主要用于生产单壁碳纳米管。

（二） 激光蒸发法

激光蒸发法，其原理是利用激光束照射至含有金属的石墨靶上，将其蒸发，同时结合一定的反应气体，在基底和反应腔壁上沉积出碳纳米管。这种方法易于连续生产，但制备出碳纳米管纯度低，易缠结，且需要昂贵的激光器，耗费大。

（三）化学气相沉积法

化学气相沉积法又名催化裂解法，其原理是通过烃类(如甲烷、乙烯、烯和苯等) 或含碳氧化物(如co) 在催化剂的催化下裂解而成。目

前对化学气相沉积法制备碳纳米管的研究表明，选择合适的催化剂、碳源以及反应温度十分关键。

化学气相沉积法一般采用过渡金属催化剂，在600～1300℃ 的温度下，通过催化碳化物分解出碳原子，得到的碳原子在催化剂的作用下形成碳纳米管。与电弧放电法和激光蒸发法相比，催化化学气相沉积法具有设备简单、条件易控、产量高、成本低等优点，并且最有希望大规模生产，因而倍受科学工作者的青睐。化学气相沉积法主要用于多壁碳纳米管的制备，适合于多壁碳纳米管的批量化生产。

四、碳纳米管的应用前景

（一） 超级电容器

碳纳米管用作电双层电容器电极材料。电双层电容器既可用作电容器也可以作为一种能量存储装置。超级电容器可大电流充放电，几乎没有充放电过电压，循环寿命可达上万次，工作温度范围很宽。电双层电容器在声频、视频设备、调谐器、电话机和传真机等通讯设备及各种家用电器中均可得到广泛的应用。作为电双层电容器的电极材料，要求该材料结晶度高、导电性好、比表面积大，微孔大小集中在一定的范围内。而目前一般用多孔炭作电极材料，不但微孔分布宽(对存储能量有贡献的孔不到30%)，而且结晶度低、导电性差，导致容量小。没有合适的电极材料是限制电双层电容器在更广阔范围内使用的一个重要原因。碳纳米管比表面积大、结晶度高、导电性好，微孔大小可通过合成工艺加以控制，因而是一种理想的电双层电容器电极材料。由于碳纳米管具有开放的多孔结构，并能在与电解质的交界面形成双电层，从而聚集大量电荷，功率密度可达8000W/kg。其在不同频率下测得的电容容量分别为102F/g(1Hz) 和49F/g(100Hz)。碳纳米管超级电容器是已知的最大容量的电容器，存在着巨大的商业价值。

（二） 碳纳米管复合材料

1．导电塑料(聚脂)

将碳纳米管均匀地分散到塑料中，可获得强度更高并具有导电性能的塑料，可用于静电喷涂和静电消除材料。目前高档汽车的塑料零件由于采用了这种材料，可用普通塑料取代原用的工程塑料，简化制造工艺，从而降低了成本并获得形状更复杂、强度更高、表面更美观的塑料零部件，是静电喷涂塑料(聚脂) 的发展方向。同时由于碳纳

米管复合材料具有良好的导电性能，不会象绝缘塑料产生静电堆积，因此是用于静电消除、晶片加工、磁盘制造及洁净空间等领域的理想材料。碳纳米管还有静电屏蔽功能，用于电子设备外壳可消除外部静电对设备的干扰，保证电子设备正常工作。

2. 电磁干扰屏蔽材料及隐形材料

由于特殊的结构和介电性质，碳纳米管表现出较强的宽带微波吸收性能，它同时还具有质量轻、导电性可调变、高温抗氧化性能强和稳定性好等特点，是一种有前途的理想微波吸收剂，可用于隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。碳纳米管对红外和电磁波有隐身作用的主要原因有两点：

一方面由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而起到隐身的作用。

另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3～4个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，达到隐形效果。

3．储氢材料

碳纳米管经过处理后具有优异的储氢性能，理论上单壁碳纳米管的储氢能力在10%以上。目前中国科学家制备的碳纳米管储氢材料的储氢能力达到4%以上，至少是稀土的2倍。根据实验结果推测，室温常压下，约2/3的氢能从这些可被多次利用的碳纳米管中释放。储存和凝聚大量的氢气可做成燃料电池驱动汽车。

4．场发射管(平板显示器)

在硅片上镀上催化剂，在特定条件下使碳纳米管在硅片上垂直生长形成阵列式结构，用于制造超高清晰度平板显示器，清晰度可达数万线。同时也可使碳纳米管在镍、玻璃、钛、铬、石墨、钨等材料上形成阵列式结构，制造各种用途的场发射管。

5. 信息存储

由于碳纳米管作为信息写入及读出探头，其信息写入及读出点可达1.3nm(当存储信号的斑点为10nm 时，其存储密度为1012bits/cm2，

称其为超高密度，比目前市场上的商品高4个数量级) ，该技术将会给信息存储技术带来革命性变革。

6. 催化剂载体

碳纳米管材料比表面积大，表面原子比率大(约占总原子数的50%) ，使体系的电子结构和晶体结构明显改变，表现出特殊的电子效应和表面效应，如气体通过碳纳米管的扩散速度为通过常规催化剂颗粒的上千倍，负载催化剂后可极大提高催化剂的活性和选择性。 碳纳米管作为纳米材料家族的新成员，其特殊的结构和表面特性、优异的储氢能力和金属及半导体导电性，使其在加氢、脱氢和择型催化等反应中具有很大的应用潜力。碳纳米管一旦在催化上获得应用，可望极大提高反应的活性和选择性，产生巨大的经济效益。

7．质子交换膜(PEM) 燃料电池

碳纳米管燃料电池是最具发展潜力的新型汽车动力源，这种燃料电池通过消耗氢产生电力，排出的废气为水蒸气，因此没有污染。它与锂离子电池及镍氢动力电池相比有巨大的优越性。可以用碳纳米管储氢材料储氢后供应氢，也可通过分解气油和其他碳氢化合物或直接从空气中获取氢给燃料电池提供氢源。

8. 碳纳米管作为阻燃剂用于聚合物的阻燃

在2002年的13届BBC 阻燃会议上，Bayer 首次提出将多壁碳纳米管(MWCNT)作为聚合物-无机物纳米复合材料的阻燃剂，它具有下述一系列特点：

A ）大的长径比

B ）与高聚物良好的相容性

C ）不影响聚合物-无机物纳米复合材料的引燃时间

D ）高的阻燃效率

E ）与其他阻燃剂具协同效应

虽然碳纳米管的技术性能非常好，但因成本和其他因素其大规模推广仍将会是一个长期的过程。目前，在各大学的物理系和像IBM 那样的公司都在制造碳纳米管，每克碳纳米管的价格是1000美元左右。我国对此项研究虽然起步较晚，但发展很快。目前碳纳米化学方兴未艾，内容丰富，前景诱人。通过对碳纳米管的研究，必然带动相应学

科的发展。