碳納米管及其應用研究
碳納米管又名巴基管，是一種徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級、管子兩端基本上都封口的一維量子材料，下面是一篇關于碳納米管應用的論文范文，供大家閱讀參考。
摘要：碳納米管的發現是碳團簇領域的又一重大科研成果，本文探討了碳納米管的結構、特性、活化方法，評述了這種納米尺寸的新型碳材料在電化學器件、氫氣存儲、場發射裝置、碳納米管場效應晶體管、催化劑載體、碳納米管修飾電極領域的應用價值，展望了碳納米管的介入對全球性物理、化學及材料等學科界所帶來的美好前景。
關鍵詞：碳納米管 結構 性質 應用
1 碳納米管的發現
1991年，日本NEC科學家Iijima在制取C60的陰極結疤中首次采用高分辨隧道電子顯微鏡(HRTEM)發現一種外徑為515nm、內徑213nm、僅由兩層同軸類石墨圓柱面疊合而成的碳結構。進一步的分析表明，這種管完全由碳原子構成，并看成是由單層石墨六角網面以其上某一方向為軸，卷曲360°而形成的無縫中空管。相鄰管子之間的距離約為0.34nm，與石墨中碳原子層與層之間的距離0.335nm相近，所以這種結構一般被稱為碳納米管，這是繼C60之后發現的碳的又一同素異形體，是碳團簇領域的又一重大科研成果[1]。
2 碳納米管的結構
碳納米管(CNT)又名巴基管，是一種具有特殊結構(徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級、管子兩端基本上都封口)的一維量子材料。它是由單層或多層石墨片圍繞中心軸按一定的螺旋角卷繞而成的無縫、中空的“微管”，每層由一個碳原子通過sp2雜化與周圍3個碳原子完全鍵合后所構成的六邊形組成的圓柱面。根據形成條件的不同，碳納米管存在多壁碳納米管(MWNTs)和單壁碳納米管(SWNTs) 兩種形式。MWNTs一般由幾層到幾十層石墨片同軸卷繞構成，層間間距為0.34nm左右，其典型的直徑和長度分別為 2-30nm0.1-50μm.SWNTs由單層石墨片同軸卷繞構成，其側面由碳原子六邊形排列組成，兩端由碳原子的五邊形封頂。管徑一般從10-20nm，長度一般可達數十微米，甚至長達20cm[2]。
3 碳納米管的活化
一般認為，在碳納米管表面引入一些電活性基團，經過活化才能有較好的電化學響應。活化的方法一般分為兩類：①在制成電極前對碳納米管進行活化，包括在氣相中用空氣或等離子體氧化或用酸(主要是濃HNO3)氧化。以濃HNO3處理碳納米管的方法是：將碳納米管在濃硝酸中浸泡10小時后，100℃濃硝酸回流5-6小時。再將得到的懸濁液離心分離、烘干，得到粉末狀開管硝基化的碳納米管。取1mg分散至3ml的N-N-二甲基甲酰胺(DMF)中，超聲分散15分鐘，備用。②制成電極后，用電化學方法進行活化，即將碳納米管電極在一定溶液中(如磷酸鹽緩沖溶液)于一定電位范圍內循環掃描。經過活化以后，根據所用介質的不同，可以在碳管表面引入含氧、甚至含硫的基團，一般包括羥基、羰基、羧基、酚類和醌類化合物等，這些電活性基團可以催化或促進其他物質的電子傳遞反應。
4 碳納米管的性質
4.1 奇異的導電性 碳納米管的性質與其結構密切相關。由于碳納米管的結構與石墨的片層結構相同，所以具有很好的電學性能。理論預測其導電性能取決于其管徑和管壁的螺旋角。當CNTs的管徑大于6mm時，導電性能下降;當管徑小于6mm時，CNTs可以被看成具有良好導電性能的一維量子導線。
4.2 優異的力學性質 除了奇特的導電性質之外，碳納米管還有非凡的力學性質。理論計算表明，碳納米管應具有極高的強度和極大的韌性。由于碳納米管中碳原子間距短、單層碳納米管的管徑小，使得結構中的缺陷不易存在，因此單層碳納米管的楊氏模量據估計可高達5太帕，其強度約為鋼的100倍，而密度卻只有鋼的1/6。因此，碳納米管被認為是強化相的終極形式，人們估計碳納米管在復合材料中的應用前景將十分廣闊。
4.3 良好的熱學性能 一維管具有非常大的長徑比，因而大量熱是沿著長度方向傳遞的，通過合適的取向，這種管子可以合成高各向異性材料。雖然在管軸平行方向的熱交換性能很高，但在其垂直方向的熱交換性能較低。納米管的橫向尺寸比多數在室溫至150℃電介質的品格振動波長大一個量級，這使得彌散的納米管在散布聲子界面的形成中是有效的，同時降低了導熱性能。適當排列碳納米管可得到非常高的各向異性熱傳導材料。
4.4 優良的儲氫性能 碳納米管的中空結構，以及較石墨(0.335nm)略大的層間距(0.343nm)，是具有更加優良的儲氫性能，也成為科學家們關注的焦點。1997年，A. C. Dillon對單壁碳納米管(SWNT)的儲氫性能做了研究，SWNT在0℃時，儲氫量達到了5%。DeLuchi指出:一輛燃料機車行駛500km，消耗約31kg的氫氣，以現有的油箱來推算，需要氫氣儲存的重量和體積能量密度達到65%和62kg/m3。這兩個結果大大增加了人們對碳納米管儲氫應用前景的希望。
5 碳納米管的應用
由于碳納米管具有優良的電學和力學性能，被認為是復合材料的理想添加相。碳納米管作為加強相和導電相，在納米復合材料領域有著巨大的應用潛力。
5.1 電化學器件
碳納米管具有非常高的比表面積、導電性能和良好的機械性能，是電化學領域所需的理想材料。碳納米管電容器具有非常好的放電性能，能在幾毫秒的時間內將所存儲的能量全部放出，這一優越性能已在混合電力汽車中開始實驗使用。由于可在瞬間釋放巨大電流，為汽車瞬間加速提供能量，同時也可用于風力發電系統穩定電壓和小型太陽能發電系統的能量存儲。鋰離子電池是碳納米管應用研究領域之一。碳納米管鋰離子電池容量大，放電速度快，充放電容量達到1000mA.h/g，大大高于石墨(372mA.h/g)和球磨石墨粉(708mA.h/g)。
5.2 氫氣存儲
碳納米管儲氫是具有很大發展潛力的應用領域之一，室溫常壓下，約2/3的氫能從碳納米管中釋放出來，而且可被反復使用。碳納米管儲氫材料在燃料電池系統中用于氫氣存儲，對電動汽車的發展具有非常重要的意義，可取代現用高壓氫氣罐，提高電動汽車安全性。
5.3 場發射裝置
學術和工業界對碳納米管電子器件的研究主要集中在場發射管(電子槍)，其主要可應用在場發射平板顯示器(FED)、熒光燈、氣體放電管和微波發生器。碳納米管平板顯示器是最具誘人應用潛力和商業價值的領域之一。
5.4 碳納米管場效應晶體管
碳納米管場效應晶體管的研制成功有力地證實了碳納米管作為硅芯片繼承者的可行性。尤其是目前，在科學家再也無法通過縮小硅芯片的尺寸來提高芯片速度的情況下，納米管的作用將更為突出。
5.5 催化劑載體[3]碳納米管由于尺寸小，比表面積大，表面的鍵態和顆粒內部不同，表面原子配位不全等導致表面的活性位置增加，是理想的催化劑載體材料。
5.6 碳納米管修飾電極 碳納米管對生物分子活性中心的電子傳遞具有促進作用，能夠提高酶分子的相對活性。與其它碳電極相比，碳納米管電極由于其獨特的電子特性和表面微結構，可以大大提高電子的傳遞速度，表現出優良的電化學性能。蔡稱心等[4]報道了HRP在碳納米管(CNT)修飾GC電極表面的固定及直接電化學。尹峰等[5]將多壁碳納米管和聚丙烯胺層層自組裝制得葡萄糖生物傳感器，其靈敏度高，抗干擾能力強。
正因為碳納米管與生物材料有著特殊的相互作用，人們已經將碳納米管應用到化學及生物分析中，目前國內外已有很多學者對碳納米管在生物傳感器領域的應用進行了大量的理論和實踐研究，并取得了突破性的進展，充分顯示了碳納米管作為新型電極材料的應用前景。
參考文獻:
[1]王麗江，陳松月，劉清君等.納米技術在生物傳感器及檢測中的應用[J].傳感技術學報.2006.19(3).581-587.
[2]高鹽生，董江慶，徐曉燕.納米技術在生物傳感器中的研究應用[J].江蘇化工.2008.36(3).4-6.
[3]敏煒，李鳳儀，彭年才.碳納米管—新型的催化劑載體[J].新型碳材料.2002.17.75-79.
[4]蔡稱心，陳靜.碳納米管電極上辣根過氧化物酶的直接電化學[J].化學學報.2004.62(3).335-340.
[5]尹峰，趙紫霞，吳寶艷.基于多壁碳納米管和聚丙烯胺層層自組裝的葡萄糖生物傳感器[J].分析學.2007.35(7).1021-1024
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