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1、碳纳米管的特性及其分析应用摘要碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。本文着重介绍碳纳米管的特性及其在仪器分析中的应用。关键词：碳纳米管；特性；仪器分析一、引言碳纳米管（CNT），又名巴基管，于1991年被日本电子公司（NEC）的饭岛博士发现。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。由于其优异的力学、电学和光学特性，碳
2、纳米管受到了越来越多的关注。随着时间的推移，CNT的制备与表征手段越发完善，由CNT制成的各种产品技术也趋于成熟。二、碳纳米管的制备方法其主要有三种制备方法：分别为电弧放电，激光蒸发法和碳氢化合物催化分解。（一）电弧放电电弧放电是指一般情况下由两个电极和它们之间的气体空间所组成电弧能产生高温。但又不同于一般的燃烧现象，它既没有燃料也没有伴随燃烧过程的化学反应。电弧放电实质上是一种气体放电现象，在一定条件下使两极之间的气体空间导电，是电能转化为热能和光能的的一种过程。该方法包括以下具体步骤：对碳纳
3、米管直接施加电压和电流，进行电火花处理，去除碳纳米管表面的附着金属或氧化物催化剂和剥离沉积的非晶碳层，与此同时，切割、定向排列碳纳米管。本技术所采用的电火花处理可在空气中进行，也可在惰性气氛中进行。施加电压可为直流也可为交流，电压１０～１００伏，电流０～１０安培。本方法的优点在于能完全去除碳管表面用其它方法难以去除的非晶碳和金属杂质，达到纯化碳纳米管的目的；另外，此方法还可切割碳纳米管，获得定向排列的碳纳米管。（二）激光蒸发法激光蒸发法是制备碳纳米管的一种有效方法．用高能C02激光或Nd／YAG
4、激光蒸发掺有催化剂的碳靶制备碳纳米管，管径可由激光脉冲来控制。激光脉冲间隔时间越短，得到的碳纳米管产率越高，而碳纳米管的结构并不受脉冲间隔时间的影响。用CO2激蒸发法，在室温下可获得碳纳米管，若采用快速成像技术和发射光谱可观察到氩气中蒸发烟流和含碳碎片的形貌，这一诊断技术使跟踪研究CNT的生长过程成为可能。激光蒸发法的主要缺点是CNT的纯度较低、易缠结，且需要昂贵的激光器，耗费大。（三）碳氢化合物催化分解近年来碳氢化合物气相催化分解法备受研究者的青睐,如何获得有效的催化剂,从而方便可控地制得CN
5、T成为研究的热点。Muller等将Ni(C8H12)2涂覆在石英片上作为催化剂,得到直径大于300nm的CNT;Ruckenstein等以浸渍法制得的Ni2CePAl2O3催化剂,获得的碳纳米管管分布较宽;梁奇等制备了四方结构复合氧化物La2NiO4,并以其为催化剂,甲烷和一氧化碳为源,合成出大量高纯度的CNT;梁奇等又采用CH4PO2氧化还原气氛,利用Ni2Ce催化剂制备出用作锂离子二次电池负极材料的CNT,充放电性能得以提高。三、碳纳米管的特性研究（一）、奇特的导电性碳纳米管可以是金属性的,
6、也可以是半导体性的,甚至在同一根碳纳米管上的不同部位,由于结构的变化,也可以呈现出不同的导电性。此外,电子在碳纳米管的径向运动受到限制,表现出典型的量子限域效应;而电子在轴向的运动不受任何限制。无缺陷金属性碳纳米管被认为是弹道式导体,其导电性能仅次于超导体。根据经典电阻理论和欧姆定律,导体的电阻和其长度成正比。但碳纳米管却表现出和经典理论完全不同的导电特性,碳纳米管的电阻和其长度及直径无关,电子通过碳纳米管时不会产生热量加热碳纳米管。电子在碳纳米管中的传输就像光信号在光学纤维电缆中传输一样,能量
7、损失微小。因此,可以认为碳纳米管是一维量子导线。作为典型的一维量子输运材料,金属性的碳纳米管在低温下表现出典型的库仑阻塞效应。当外电子注入碳纳米管这一微小的电容器(其电压变化为ΔU=Q/C,其中Q为注入的电量,C为碳纳米管的电容)时,如果电容足够小,只要注入1个电子就会产生足够高的反向电压使电路阻断。当被注入的电子穿过碳纳米管后,反向阻断电压随之消失,又可以继续注入电子了。在对单层碳纳米管电子结构研究的基础上,理论物理学家对多层碳纳米管的电子结构也进行了初步研究。结果表明,由两个金属性(或半金属
8、性)的单层碳纳米管同轴套构所形成的双层碳纳米管,仍然保持其金属性(或半金属性)的特征。有趣的是,当一个金属性单层碳纳米管与一个半导体性单层碳纳米管同轴套构而形成一个双层碳纳米管时,两个单层管仍保持原来的金属性和半导体性。这一特性可用来制造具有同轴结构的金属-半导体器件。碳纳米管还具有优异的场发射性能。直径细小的碳纳米管可以用来制作极细的电子枪,在室温及低于80V的偏置电压下,即可获得0.1～1μA的发射电流。另外,开口碳纳米管比封闭碳纳米管具有更好的场发射特性。与目前的商用电子枪相比,碳纳米管电
