碳纳米管构成的二维和三维碳纳米材料的研究进展_关磊

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1、·１１４·材料导报Ａ：综述篇２０１１年３月（上）第２５卷第３期碳纳米管构成的二维和三维碳纳米材料的研究进展关磊（天津大学理学院化学系，天津３０００７２）摘要碳纳米管（ＣＮＴｓ）可以构成水平排列、垂直排列膜以及多种三维结构碳纳米材料。介绍了ＣＮＴｓ构成的二维和三维碳纳米材料的分类，综述了其制备方法和应用的研究进展，探讨了该研究领域需要解决的问题以及今后可能的发展前景。关键词碳纳米管碳纳米材料制备方法应用中图分类号：Ｏ６－１；ＴＱ０５０．４＋２１ＰｒｏｇｒｅｓｓｉｎＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＴｗｏ－ａｎｄＴｈｒｅｅ－Ｄ

2、ｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＣａｒｂｏｎＮａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓＣｏｍｐｏｓｅｄｏｆＣａｒｂｏｎＮａｎｏｔｕｂｅｓＧＵＡＮＬｅｉ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｌｙａｎｄｖｅｒｔｉｃａｌｌｙａｌｉｇｎｅｄｃａｒｂｏｎｆｉｌｍｓ，ａｎｄｖａｒｉｏｕｓｃａｒｂｏｎｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓｗｉｔｈｔｈｒｅｅ－ｄｉ－ｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｃｏｎｓｉｓｔｏｆ

3、ｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓ（ＣＮＴｓ）．Ｔｈｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｗｏ－ａｎｄｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｃａｒｂｏｎｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆＣＮＴｓｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄｉｔｓｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓｔｏｂｅｓｏｌｖｅｄａｎｄｐｏｓｓｉｂｌｅｆｕｔｕｒｅｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓ，ｃ

4、ａｒｂｏｎｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ向，实现平行排列，形成的ＣＮＴ阵列膜。ＣＮＴ阵列膜的主０引言［５］［６］要制备方法包括化学气相沉积（ＣＶＤ）法、模板法和火焰［１］法［７］等。制备方法不同导致ＣＮＴ阵列膜中不同ＣＮＴ之间自从１９９１年Ｉｉｊｉｍａ发现多壁碳纳米管（ＭＷＣＮＴｓ）以来，ＣＮＴｓ凭借优异的光学、电学和力学性能受到了广泛的关的相互作用不同，从而对其后处理、性质及应用产生影响。注，有关其制备和应用研究已经成为碳纳米材料领域的研究在生长的过

5、程中，ＣＮＴｓ的管壁缺陷和极大的长径比都易促热点。目前，对于ＣＮＴｓ的研究除了对单根ＣＮＴ的性能研使其弯曲，因此制备ＣＮＴｓ取向性好、长径比适中、密度合适究外，更多集中在便于实际应用的大量ＣＮＴｓ的综合效应的的ＣＮＴ阵列膜已经成为主要的研究课题之一。研究上，即在由大量ＣＮＴｓ构成的二维和三维碳纳米材料的研究上。ＣＮＴ构成的纳米材料的结构和形貌与其潜在的应用价值有着紧密的联系。因此，总结和归纳其制备方法、结构和形貌对于制备新型的、可调控的ＣＮＴ构成的二维和三维碳纳米材料奠定了一定的理论基础。本文综述了由ＣＮＴ构

6、成的二维和三维碳纳米材料的制备方法、结构和形貌以及应用研究进展，探讨了该研究领域需要解决的问题以及今后图１垂直排列ＣＮＴ膜［３］（ａ）和水平排列可能的发展方向。［４］（ｂ）的ＴＥＭ图ＣＮＴ膜１ＣＮＴｓ构成的二维碳纳米材料的研究进展［３］（ａ）ａｎｄＦｉｇ．１ＴＥＭｉｍａｇｅｓｏｆｖｅｒｔｉｃａｌｌｙａｌｉｇｎｅｄＣＮＴｆｉｌｍ［４］（ｂ）二维纳米材料是指在三维空间中有一维处于纳米尺度ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｌｙａｌｉｇｎｅｄＣＮＴｆｉｌｍ或由它们作为基本单元构成的材料，如薄膜或多层膜等［２］。ＣＶＤ法可以控制ＣＮ

7、Ｔｓ垂直、整齐地排列生长，主要原因是ＣＮＴｓ之间范德华力的作用［８］，也可以在电场辅助的条ＣＮＴｓ构成的二维碳纳米材料主要是ＣＮＴ膜，可分为垂直［３，４］。件下整齐地生长［９，１０］。Ｌｉ等［３］使用乙醇和乙二胺为原料，二排列ＣＮＴ膜和水平排列ＣＮＴ膜，其微观结构见图１１．１垂直排列ＣＮＴ膜茂铁为催化剂前驱体，采用喷射ＣＶＤ法，在Ａｌ２Ｏ３基底上沉垂直排列ＣＮＴ膜是ＣＮＴｓ在一定条件下，呈现显著取积制得氮掺杂的竹节型ＣＮＴ阵列膜。结果表明，在优化的关磊：男，１９８１年生，博士研究生，主要从事新型碳纳米材料的制

8、备Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｕａｎｌｅｉ５０５＠１６３．ｃｏｍ碳纳米管构成的二维和三维碳纳米材料的研究进展／关磊·１１５·条件下，该ＣＮＴ阵列生长１ｈ长度可达１６０μｍ；氮的掺杂量ＬＢ法制得了ＳＷＣＮＴ膜。该膜是由相互连接的管束网络构可达到１．２％（原子分数）。Ｐｉｎｔ等［１１］采用ＣＶＤ法沉积制得成的。了高密度、排列整齐、透明的单壁碳纳米管（ＳＷＣＮＴ）阵列［１８］采用一种制造普通书写纸的古老方法，使用Ｈａ