碳纳米管的修饰及其应用(自动保存的)

《碳纳米管的修饰及其应用(自动保存的)》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、碳纳米管的修饰及其应用化学121白旭摘要:介绍碳纳米管的性质和表面修饰方法,综述了近年來国内外有关碳纳米管表面饰的研究现状,并分析了碳纳米管表面修饰的应用现状。以及碳纳米管窄孔径分布，高有效比表面积，良好的力学性能、良好的导电性能和优良的化学稳定性以其低成本等优点，研讨其在未來各个方向上的应用前景.关键词:碳纳米管;表面修饰;力学性能;复合材料;电学性能;超级电容器引言主要讲述的内容包括碳纳米管的结构特点，根据其结构特点运用化学和物理的相关知识和方法在其表面进行特定的修饰和功能官能团化，使其能有效的发挥力学，电学，储氢性能的特点，研究出具有相应

2、特点性质的功能材料及其元件，并有效地将其运用生产与生活，航空，医疗等各个领域方面，进而造福全人类.1碳纳米管的结构a1901年日木NEC公司的科学家Iijima"］发现碳纳米管以來，碳纳米管以其独特的力学、电学等特性而成为人们所关注的焦点。目前，人们已对碳纳米管自身的性质展开了十分广泛而深入的研究。在碳纳米管的规模合成与纯化技术口趋完善Z后，碳纳米管的修饰与应用已经成为该领域主要的发展方向。人们期望通过修饰碳纳米管，丰富其衍生物的种类，优化固有性能，开发新性能，拓展其应用。十多年来，各种物理或化学的方法被用來修饰碳纳米管，如掺杂、填充、包覆、共

3、混、接枝等，种类繁多的碳纳米管衍生物及各种性能也被陆续报道。改性后的碳纳米管主要应用于增强复合材料、金属催化剂的载体、生物与医药分子的载体、传感器、屯学材料等［习首先我想说一点,结构决定性质，性质决定用途,谈到碳纳米管的应用，就必须说到它的结构了.碳纳米管（简称碳管，CNTS）可以看作由单层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米管⑶，其端头曲碳的五元环和六元环组成的半球形封闭而成。单层的管壁的碳纳米管，称为单壁碳纳米管（简称单壁碳管，SWCNTS）,多层管壁的碳纳米管，称为多壁碳纳米管（简称多壁管，MWCNTS）o一般多壁碳纳米管的管壁层数可多可少，直

4、径比较大，而单壁碳管的直径大多在0.7〜5nm之间。目前发现的最小的单壁碳管直径为0.4mm碳管中碳原了Z间的成键方式主要是sp2杂化，每个碳原子的三个外层电子占据平面状sp2杂化轨道，形成三个面内。键，余下一条面外兀轨道（兀键）⑷。这种大兀键共轨体系可与其它的71电子休系发生兀・兀作用，形成非共价功能化的复合物。这是吸附、包裹等物理手段改性碳管的基础。现实屮的碳管并不像人们想象的那样笔直的，局部也会出现凹凸、弯曲、分叉等现彖，这多是由于碳环重排时出现的五元/七元环对位置缺陷，sp3杂化位置缺陷以及纳米管晶格空位缺陷所致〔5］,这些原生的缺陷点

5、以及碳管的端头，可以釆用强酸对管壁以及管端进行氧化，通过氧化我们可以共价功能化键接某些特定的功能基I才I，达到特定的应用目的。2碳纳米管的修饰由于碳纳米管和其他纳米材料具冇同样的特性:很高的表而自由能和比表而积，从而处于热力学不稳定状态,很容易I才I聚不易分散。因此纳米粒子的分散问题就成为纳米复合材料制备的关键。因此CNTS在聚合物复合材料屮的应用首先要解决的问题就是其分散性，这是能否赋予复合材料优良性能的先决条件Z-o为进一步发挥和改善CNTS的性能,CNTs化学修饰和功能化处理已成为国际CNTS研究的一个重要领域［9】.2.1共价键修饰共价

6、键修饰是碳纳米管功能化的重要途径，目前的碳纳米管共价键修饰方法主要可大概分为以下儿类：1）化学切割一接枝修饰化学切割法是最早提出的碳纳米管修饰方法之一，通常的途径是利用强氧化性的浓酸在加热的条件下反应使碳管外壁生成梭酸基团，然后在此基础上使修饰基团与梭基反应接入从而实现功能化的目的。早在1998年Haddon［⑼等人就通过此方法成功制备了有机胺修饰的可溶性碳纳米管。而在2003年ZhiXinGuo［,,］等人在此基础上研究了实验室条件下，通过化学切割法大量制备可溶碳管的方法。此方法优点在于碳管接枝率较高，化学过程较为简捷，产率较高。但同时由于在

7、外界作用下碳管结构遭到较大破坏甚至断裂，使碳管的性能有所下降。另外一些机械化学修饰过程屮也存在切割现象，这是机械作用与化学作用的协同效果。到目前为止，此类方法仍是唯一可在实验室条件下大量制备可溶性碳管的修饰路线。2）无切割一接枝修饰这一类修饰方法发展较晚但方法众多效果不一,多数方法利用碳管上原有缺陷进行系列反应修饰，按修饰具体过程冇以下几种：侧壁卤化一功能基I才I接入的方法是较早岀现的的一种方法。一般过程是将碳管在高温下与氟或氯发生侧壁卤化反应，然后以带有亲核基团的分子向碳管进攻,取代侧壁卤索原子（如下图）。图2.2侧壁亲核取代修饰碳纳米管流程

8、・A图是氟化后脱氟取代修饰碳管流程.B图a,b,c三路线分别是碳基，氮宾和光活性基团植入⑴。侧壁亲核取代是利用碳管侧壁由丁•双键共辘结构富电效应而实现