碳纳米管研究进展.pdf

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1、技术与信息碳纳米管研究进展高星 常彬杰 矫卫东(北京低碳清洁能源研究所,北京 102211)摘要：自碳纳米管被发现以来，便因其结构独特、性能优异，而受到研究人员的广泛关注。作为一种碳的同素异形体，碳纳米管独特的一维中空结构、极低的密度，决定了其具有其他材料无法比拟的机械性能、电学性质及吸附性能等。作为一种新型的材料，碳纳米管广阔的应用前景受到各领域研究人员的青睐。本文综述了碳纳米管的结构、性质、几种主要的制备方法及其几个主要应用领域，为今后的研究提供参考。关键词：碳纳米管；结构；性质；制备方法；应用0引言1.

2、2性质[1]碳纳米管早在1952年便被发现，但未得到关注，直至碳纳米管独特的结构，决定了它具有许多与宏观材料截然[2]1991年，日本电子公司(NEC)的饭岛博士(Iijima)发表论文不同的优良的性能，如量子尺寸效应、量子隧道效应、量子限域[8]阐述了碳纳米管的尺寸、形貌及形成机理，自此揭开了碳纳米效应表面和界面效应等。管的神秘面纱，使其得到了广泛关注。随着测试技术的发展，首先，碳纳米管力学性能优异。实验记载在一百万个大碳纳米管的独特结构清晰的呈现出来，随着当代科技的发展，气压的压力作用下，碳纳米管并不会发

3、生破裂[9]；研究表明，其独特的性质，吸引着各领域的研究人员对其应用进行探索、单壁碳纳米管的杨氏模量可达到钢的一百倍左右，其值大于研究。1TPa[10]。碳纳米管还有很高的韧性，实验表明，向它施加大于1碳纳米管的结构及性质其弯曲强度的外界压力时，它会形成“麻花状”的结构，而不断[11]裂，一旦压力消散便会重新恢复。1.1结构其次，碳纳米管电学性质独特。对电子在碳纳米管中的运作为一种纳米材料，碳纳米管具有特殊的一维中空结构，动研究表明，电子只能沿单层管的轴向方向运动，而无法再径它具有纳米级的径向尺寸，而长度通常

4、为微米级或更长，其长向方向上运动，其运动是具有方向性的，这表现出典型的量子[3]径比可达到104-106。碳纳米管的中空结构可看成是单层石限域效应。进一步研究表明，部分碳纳米管含有费米点，即若想墨原子一边绕某一个方向卷曲一周或数周形成的，碳纳米管作在此碳纳米管周围自由移动，电子必须具有特定的波长，否则[4]为碳的一种同素异形体，其管间缝隙与石墨碳原子层的间隙电子将无法自由传播。具有费米点的碳纳米管需要有合适的直相近。组成碳纳米管的碳原子，其杂化类型主要是sp2，其通过径及一定的螺旋，它们可表现出明显的金属性，

5、而其他的碳纳[5]碳-碳σ键与周围碳原子结合，形成圆柱形。理论上碳纳米[12]米管则表现出半导体性质。事实上，碳纳米管中经常会出现管网格面应均为六边形，但研究中常会发现不规则的形状出[13]金属-半导体、半导体-半导体等异质结构。[6]现，如T形、L形或Y形等。Mauricio等研究表明，碳纳米管中[14]第三，碳纳米管的磁学性能也十分特殊。Ajiki等将碳出现弯曲是因为本应为六边形的网格面上出现了五边形和七纳米管置于磁场中进行研究，结果表明，当磁场强度发生变化边形，形成五边形的地方，会出现凸出的曲面，而形成

6、七边形的时，碳纳米管的禁带宽度随之变化；磁场的周期变化也会引起地方，便会凹进。当碳纳米管的端口形成五边形碳环，便会出现[7]禁带宽度的周期性变化。这一特性的发生要求磁场强度达到碳半圆的封闭结构(如下图1所示)。纳米管启动磁场强度，启动磁场长度与碳纳米管直径相关，直[13]径越大其值越小。此外，碳纳米管具有较高的电损耗角正切[15][16]值，表现出微波吸收特性，属于电损耗型材料。张增富等研究发现较之单壁碳纳米管，多壁碳纳米管衰减常数随频率变化大，其吸收峰较窄。第四，碳纳米管具有极好的吸附性能。从碳纳米管的结构

7、可以看出，其具有独特的空心管状结构、管壁由多边形组成多孔空隙、比表面积极大等特点，决定了它优异的吸附性能。同时，其可变的亲水性和憎水性、较小的密度、化学上的稳定性，使它具有极大的应用前景。研究表明，碳纳米管可被用于吸附[17]无机物、有机物和微生物。第五，碳纳米管表现出独特的光学性能。研究发现，碳纳米管独特的结构影响了其光学性质，当外界强光照射碳纳米管时，其中的碳-碳共轭键便会产生电子极化现象，因此出现非[18]线性吸收、光致折射率变化等。不同于硅，碳纳米管不需要能[19]图1碳纳米管结构图带内的动量弛豫，便

8、能产生光子发射和吸收过程。64

9、2017年4月[20]研究发现，碳纳米管还具有良好的热力学性质及信息纯度高，但由于催化剂的形态不易控制导致产量不高。[21]储存性能等，具有广泛的应用价值。(3)喷淋法2碳纳米管的制备方法喷淋法是先将催化剂在液态碳源中溶解，然后当反应炉温度升到生长温度时，把溶有催化剂的碳源用泵喷进反应炉内进常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、激光蒸发[28]行反应，经过催化作用