碳纳米管的结构、性能和应用

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1、碳纳米管的制备、性质和应用摘要：综述了碳纳米管的研究进展，简单地介绍了单层碳纳米管和多层碳纳米管的基本形貌、结构及其表征，列举了几种主要的制备方法以及特点，介绍了碳纳米管优异的物理化学性质，以及在各个领域中潜在的应用前景和商业开发价值。Abstract:thearticlereviewsthestudyprogressinnanotubes,andgivesabriefintroductiontosingle-layercarbonnanotubesandmulti-walledcarbonnanotubesoftheirmorphology,structureandcharacterizat

2、ion.Atthesametime,thecommonlyusedwaysofpreparationandprinciplesaswellastheapplicationsandresearchprospectofcarbonnanotubesarealsopresented.Keywords:carbonnanotubes;preparation;application前言仅仅在十几年前，人们一般认为碳的同素异形体只有两种：石墨和金刚石。1985年，英国Sussex大学的Kroto教授和美国Rice大学的Smalley教授进行合作研究，用激光轰击石墨靶尝试用人工的方法合成一些宇宙中的长碳链分

3、子。在所得产物中他们意外发现了碳原子的一种新颖的排列方式，60个碳原子排列于一个截角二十面体的60个顶点，构成一个与现代足球形状完全相同的中空球，这种直径仅为0.7nm的球状分子即被称为碳60分子1-2。此即为碳晶体的第三种形式。1991年，碳晶体家族的又一新成员出现了，这就是碳纳米管。日本NEC公司基础研究实验室的Iijima教授在给《Nature》杂志的信中宣布合成了这种一种新的碳结构3。这是继C60之后发现的碳的又一同素异形体，是碳团簇领域的又一重大科研成果。碳纳米管(CNTs)具有较大的长径比和比表面积、较低的电阻和很高的化学稳定性，同时又可吸附适合其内径的分子，在材料科学、微电子学、

4、电化学领域中都有重要应用。1碳纳米管的结构碳原子sp2杂化形成关闭或开放的蜂巢状原子排列，卷曲产生管状的碳结构。CNTs的直径为零点几纳米至几十纳米，每个单壁管侧面由碳原子的六边形组成，长度一般为几十纳米至微米级，两端由碳原子的五边形封顶，单壁碳纳米管(SWNTs)存在3种类型的结构，分别为单壁纳米管(Armchairnanotubes)、锯齿型纳米管(Zigzagnanotubes)和手性型纳米管(Chiralnanotubes)，见图14。多层碳纳米管一般有几个到几十个SWNT同轴构成，管间距为0.34nm左右，这相当于石墨的{0002}面间距，直径约为1nm，长径比大。图1　3种类型的碳

5、纳米管CNTs的性能由它们的直径和手性角θ来确定，而这两个参数又取决于两个整数n和m值，Ch=na1+ma2，a1和a2为CNTs一个单胞的单位矢量。手性矢量形成了纳米管圆形横截面的圆周，不同的m和n值导致了不同的纳米管结构1,5。2碳纳米管的制备CNTs的传统制备方法，主要有电弧放电法、化学气相沉积法、激光蒸发法。2.1电弧放电法主要工艺是：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、钴、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，同时在阴极石墨上沉积碳纳米管，从而生产出碳纳米管。此法特点：生长快速，工艺参数较易控制，但生长温度相对较高，制备装置相对复杂，

6、纯度和产率都较低，不适合在基片的表面直接生长定向碳纳米管，不宜批量生产。2.2化学气相沉积法化学气相沉积法是在600~1000℃的温度及催化剂的作用下，使有机气体原料分解提供碳源来制备碳材料的一种方法。早在20世纪50~80年代，用此方法制备碳纤维曾做了大量的工作。1993年M.Endo利用此法，采用热分解苯蒸气成功地制备了尺寸各异的碳纳米管6。S.Amelinckx采用金属催化热解乙炔的方法制备了形态奇特的碳纳米管7-8。化学气相沉积法具有反应过程易于控制，装置易于设计，所用原料成本低等优越性。用此法制备出来的碳纳米管可以有多样化的形貌，也可以控制得到直径尺寸均匀甚至取向一致的碳纳米管。但是

7、，由于反应温度过低，制得的碳纳米管的石墨化程度较差，有很多的缺陷，特别是制备过程中引入了催化剂颗粒，最终附着或包覆在碳纳米管之中(通常在端部)难以去除，为碳纳米管的诸多性质的表征和进一步的应用带来了困难。2.3激光蒸发法激光蒸发法的原理是某一温度下利用等离子体或激光照射含催化剂的石墨靶，所形成的气态碳和催化剂颗粒被气流从高温区带向低温区，在催化剂的作用下生长成碳纳米管。其一般工艺过程为在1200℃