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碳纳米管的特性及其分析应用

碳纳米管的特性及其分析应用
碳纳米管的特性及其分析应用

碳纳米管的特性及其分析应用

摘要

碳纳米管作为一维纳米材料,重量轻,六边形结构连接完美,具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。本文着重介绍碳纳米管的特性及其在仪器分析中的应用。

关键词:碳纳米管;特性;仪器分析

一、引言

碳纳米管(CNT),又名巴基管,于1991年被日本电子公司(NEC)的饭岛博士发现。是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级,管子两端基本上都封口)的一维量子材料。由于其优异的力学、电学和光学特性,碳纳米管受到了越来越多的关注。随着时间的推移,CNT的制备与表征手段越发完善,由CNT制成的各种产品技术也趋于成熟。

二、碳纳米管的制备方法

其主要有三种制备方法:分别为电弧放电,激光蒸发法和碳氢化合物催化分解。

(一)电弧放电

电弧放电是指一般情况下由两个电极和它们之间的气体空间所组成电弧能产生高温。但又不同于一般的燃烧现象,它既没有燃料也没有伴随燃烧过程的化学反应。电弧放电实质上是一种气体放电现象,在一定条件下使两极之间的气体空间导电,是电能转化为热能和光能的的一种过程。该方法包括以下具体步骤:对碳纳米管直接施加电压和电流,进行电火花处理,去除碳纳米管表面的附着金属或氧化物催化剂和剥离沉积的非晶碳层,与此同时,切割、定向排列碳纳米管。本技术所采用的电火花处理可在空气中进行,也可在惰性气氛中进行。施加电压可为直流也可为交流,电压10~100伏,电流0~10安培。本方法的优点在于能完全去除碳管表面用其它方法难以去除的非晶碳和金属杂质,达到纯化碳纳米管的目的;另外,此方法还可切割碳纳米管,获得定向排列的碳纳米管。

(二)激光蒸发法

激光蒸发法是制备碳纳米管的一种有效方法.用高能C0

激光或Nd/YAG激

2

光蒸发掺有催化剂的碳靶制备碳纳米管,管径可由激光脉冲来控制。激光脉冲间隔时间越短,得到的碳纳米管产率越高,而碳纳米管的结构并不受脉冲间隔时间的影响。用CO

2

激蒸发法,在室温下可获得碳纳米管,若采用快速成像技术和发射光谱可观察到氩气中蒸发烟流和含碳碎片的形貌,这一诊断技术使跟踪研究CNT的生长过程成为可能。激光蒸发法的主要缺点是CNT的纯度较低、易缠结,且需要昂贵的激光器,耗费大。

(三)碳氢化合物催化分解

近年来碳氢化合物气相催化分解法备受研究者的青睐,如何获得有效的催

化剂,从而方便可控地制得CNT 成为研究的热点。Muller等将Ni (C

8H

12

)

2

涂覆

在石英片上作为催化剂,得到直径大于300 nm的CNT;Ruckenstein 等以浸渍法

制得的Ni

2CePAl

2

O

3

催化剂,获得的碳纳米管管分布较宽;梁奇等制备了四方结

构复合氧化物La

2NiO

4

,并以其为催化剂,甲烷和一氧化碳为源,合成出大量高

纯度的CNT;梁奇等又采用CH

4PO

2

氧化还原气氛,利用Ni

2

Ce 催化剂制备出用作

锂离子二次电池负极材料的CNT ,充放电性能得以提高。

三、碳纳米管的特性研究

(一)、奇特的导电性

碳纳米管可以是金属性的,也可以是半导体性的,甚至在同一根碳纳米管上的不同部位,由于结构的变化,也可以呈现出不同的导电性。此外,电子在碳纳米管的径向运动受到限制,表现出典型的量子限域效应;而电子在轴向的运动不受任何限制。无缺陷金属性碳纳米管被认为是弹道式导体,其导电性能仅次于超导体。根据经典电阻理论和欧姆定律,导体的电阻和其长度成正比。但碳纳米管却表现出和经典理论完全不同的导电特性,碳纳米管的电阻和其长度及直径无关,电子通过碳纳米管时不会产生热量加热碳纳米管。电子在碳纳米管中的传输就像光信号在光学纤维电缆中传输一样,能量损失微小。因此,可以认为碳纳米管是一维量子导线。作为典型的一维量子输运材料,金属性的碳纳米管在低温下表现出典型的库仑阻塞效应。当外电子注入碳纳米管这一微小的电容器(其电压变化为ΔU=Q/C,其中Q为注入的电量,C为碳纳米管的电容)时,如果电容足够小,只要注

入1个电子就会产生足够高的反向电压使电路阻断。当被注入的电子穿过碳纳米管后,反向阻断电压随之消失,又可以继续注入电子了。

在对单层碳纳米管电子结构研究的基础上,理论物理学家对多层碳纳米管的电子结构也进行了初步研究。结果表明,由两个金属性(或半金属性)的单层碳纳米管同轴套构所形成的双层碳纳米管,仍然保持其金属性(或半金属性)的特征。有趣的是,当一个金属性单层碳纳米管与一个半导体性单层碳纳米管同轴套构而形成一个双层碳纳米管时,两个单层管仍保持原来的金属性和半导体性。这一特性可用来制造具有同轴结构的金属-半导体器件。碳纳米管还具有优异的场发射性能。直径细小的碳纳米管可以用来制作极细的电子枪,在室温及低于80V的偏置电压下,即可获得0.1~1μA的发射电流。另外,开口碳纳米管比封闭碳纳米管具有更好的场发射特性。与目前的商用电子枪相比,碳纳米管电子枪具有尺寸小、发射电压低、发射密度大、稳定性高、无需加热和无需高真空等优点,有望在新一代冷阴极平面显示器中得到应用。

(二)、非凡的力学性质。

理论计算表明,碳纳米管具有极高的强度和极大的韧性。由于碳纳米管中碳原子间距短、单层碳纳米管的管径小,使得结构中的缺陷不易存在,因此单层碳纳米管的杨氏模量据估计可高达5TPa(而钢的杨氏模量只有碳纳米管的1/5),可承担自身质量3000亿倍的拉力,其强度约为钢的100倍,而密度却只有钢的1/6。

因此,碳纳米管被认为是强化相的终级形式,人们估计碳纳米管在复合中的应用

前景将十分广阔。碳纳米管还有极高的韧性而不脆,在轴向施加压力或弯曲碳纳米管时,当外加压力超过Euler强度极限或弯曲强度时,碳纳米管不会断裂,而是首先发生大角度弯曲,然后打卷绞结在一起形成类似“麻花状”物体。当外力释放后碳纳米管又恢复原状。研究发现,电弧法生产的碳纳米管(直管)的杨氏模量比催化热解法生产的碳纳米管(弯管)的杨氏模量高一到两个数量级。

(三)、优良的储氢性能

在高能量密度充电电池和氢能燃料电池中,储氢材料要求具有较高的储存量,能够完成反复进行吸储氢和释放氢的可逆过程,而且可逆循环次数必须足够多。科研工作者普遍认为碳纳米管具有较高的储氢量,能够反复进行吸储氢和释放氢的可逆过程,同时具有比活性炭更大的比表面积,并且有大量微孔,因此是最好

的储氢材料。储氢过程中首先进行的是物理吸附,当氢达到一定浓度后,有一部分氢分子开始通过碳纳米管表面的微孔或沟槽及两端的开口,向碳纳米管的层间扩散,以进行更深层次的化学吸附

(四)良好的热学性能

碳纳米管已知的最好的导热材料。纳米碳管依靠超声波传递热能,其在一维方向传递热能的速度可达到10000m/s。即使将纳米管捆在一起,热量也不会从一根纳米管传到另一根纳米管,适当排列碳纳米管可得到非常高的各向异性热传导材料。

四、碳纳米管在分析中的应用

(一)碳纳米管在色谱中的应用

1、作为气相色谱的固定相

活性炭、石墨化碳黑等经常被用作气相色谱固定相使用,其具有很高的热稳定性和化学稳定性,同时还具有相对大的比表面积和石墨结构的疏水表面,表面几乎不存在不饱和键、孤对电子、自由基、离子,有很高的物理化学均匀性,经常被用来分离有机酸、醇、酮、醚、胺等.

碳纳米管具有类似石墨的结构,其整体结构的石墨化化程度较高。这些结构特点表明碳纳米管可作为气相色谱固定相使用,与相同比表面积的石墨化炭黑相比,它有以下特点,(1)更强的保留值,适于分析沸点相对较低的化合物;(2)更均匀的表面,表现为极性化合物的对称峰形;(3)理论塔板数较小,与石墨化炭黑一样,碳纳米管涂渍固定液后可分离扱性化合物,甚至是强极性的小分子有机酸。

2、作液相色谱的固定相

(1)将碳纳米管沉降在多孔的;硅微粒上,做成一种新型的填充材料。实验证明,碳纳米管可以识别一些小分子有机物和生物分子;与用多孔石墨碳作为固定相相比,此法制备的碳纳米管-硅胶固定相疏水性较弱,可以分离一些极性化合物。此外,这种固定相有助于研

究在水介质中碳纳米管与生物分子的相互作用。

(2)将碳纳米管与具有特殊功能的分子相互作用,制备成分离特

殊性质分子的液相色谱固定相。

(3)将碳纳米管与有机聚合物共混制备液相色谱的固定相。由于

碳纳米管的疏水性,延长了小分子化合物在反相-高效液相色谱中的保留时间,因此导致了峰值的增大和对保留值产生了影响。

3、在毛细管电泳中的应用

碳纳米管主要是以两种方式应用于毛细管电泳领域:一是碳纳米

管作为一种电泳分离介质的添加剂;二是将碳纳米管作为一种固定相。碳纳米管用作毛细管电泳分离介质的添加物,是基于其独特的一位管

状结构字在缓冲介质中会形成一种特殊的空间网状结构,为物质的分

离提供特殊的空间,从而改善分离效果。经过表面活性剂非共价修饰

后的碳纳米管,其表面性能得到改善,成功地应用于生物分子、药物

分子和一些手性分子的分离与分析。而羧基化的单壁碳纳米管可用于

毛细管区带电泳和微芯片电泳通道的固定相。

(二)应用于固相萃取技术

1、非功能化修饰碳纳米管固相萃取技术的应用

SPE柱是目前普遍使用的固相萃取形式,常用柱填料有C18或C8 键合硅胶、有机聚合物吸附剂、石墨化炭黑等,但上述吸附剂存在吸

附选择性差,重复使用率低等缺点。相对于传统材料,碳纳米管拥有

比表面积大,化学性质稳定,萃取效率高,对大部分有机化合物有较

强的吸附能力,用极性较大的有机溶剂( 如甲醇、乙腈) 洗脱即可去除吸附的有机化合物,能重复利用等优点,是一种非常优秀的固相萃

取吸附材料。碳纳米管固相萃取技术作为快速高效的样品前处理方法

得到高度重视,被广泛应用在痕量有机污染物分析中。

2、功能化修饰的碳纳米管固相萃取技术的应用

碳纳米管疏水性强,几乎不溶于任何溶剂,使其应用受到了很大

限制,为了扩展碳纳米材料的应用范围,通常对碳纳米材料的表面进

行修饰和改性,经功能化修饰使碳纳米管表面引入大量的官能团,如羟基( -OH) 、羧基( -COOH) 等。这些含氧官能团通过范德华力、氢键、静电作用力与目标化合物结合。相对于未修饰的碳纳米管,功能化的碳纳米管由于表面带有的含氧官能团,如羟基( -OH) 、羧基( -COOH) 等,增加了碳纳米管的亲水性和极性,大大提高其对于极性化合物和水溶性物质的萃取能力。若普通的碳纳米管经过硝酸等氧化剂处理后,其表面引入了大量含氧官能团,明显增强了对金属离子的吸附,碳纳米管对于金属离子的富集分离,主要依靠修饰后其的表面电荷与目标物的静电作用。

(三)用于电化学领域研究

1、用作化学传感器

当把碳纳米管暴露在NO

2 或NH

3

中时,其电导发生明显的增加或减少,此现

象为其成为纳米分子感器奠定了基础。在室温下,碳纳米管的快速响应及较高的灵敏度优于已有的固态传感器,且该传感器具有较好的可逆性,在室温下可慢慢恢复,高温下得以快速恢复。碳纳米管分子线有望成为微型的先进的化学传感器。

2、用作修饰电极

碳纳米管是制备修饰电极和电化学传感器的优良材料,因为碳纳米管是一种纳米材料,利用纳米材料对电极表面进行修饰时,除了可将材料本身的物化特性引入电极界面外,同时也会由于纳米材料的小粒径、大比表面积效应,使得粒子表面带有较多的功能基团而对某些物质的电化学行为产生特有的催化效应,表现为降低氧化过电势、增加峰电流、改善分析性能、提高方法选择性和灵敏度。目前对碳纳米管的合成、进一步的修饰改性以及对碳纳米管修饰电极的预处理、制作工艺的改进均有很大的空间。

3、用作电化学器件

碳纳米管具有非常高的比表面积根据直径和分散程度不同碳纳米管的比表面积在250~3000m2/g加之优异的导电性能和良好的机械

性能碳纳米管是电化学领所需的理想材料是用做制造电化学双层电容器。超级电容器电极的理想材料,电化学双层电容器(EDLC)因超级电容器被我们所熟知。超级电容器利用静电极化电解溶液的方式储存能量。虽然它是一个电化学器件,但它的能量储存机制却一点也不涉及化学反应。这个机制是高度可逆的,它允许超级电容器充电放电达十万甚至数百万次。超级电容器可以被视为在两个极板外加电压时被电解液隔开的两个互不相关的多孔板。对正极板施加的电势吸引电解液中的负离子,而负面板电势吸引正离子。这有效地创建了两个电荷储层,在正极板分离出一层,并在负极板分离出另外一层。传统的电解电容器存储区域来自平面,导电材料薄板。高电容是通过大量的材料折叠。可能通过进一步增加其表面纹理,进一步增加它的表面积。过去传统的电容器用介质分离电极,这些介质多数为:塑料,纸或薄膜陶瓷。电介质越薄,在空间受限的区域越可以获得更多的区域。可以实现对介质厚度的表面面积限制的定义。超级电容器的面积来自一个多孔的碳基电极材料碳纳米管)。这种材料的多孔结构,允许其面积接近2000平方米每克,远远大于通过使用塑料或薄膜陶瓷。超级电容器的充电距离取决于电解液中被吸引到电极的带电离子的大小。这个距离(小于10埃)远远小于通过使用常规电介质材料的距离。巨大的表面面积的组合和极小的充电距离使超级电容器相对传统的电容器具有极大的优越。

五、结语

纳米科技是一种新兴的前沿技术,碳纳米管是纳米材料领域中的一个重要分支,基于其独特的电子特性、立体结构和表面特性,碳纳米管将会在仪器分析中发挥重要作用。

碳纳米管的特性及应用_孙晓刚

作者介绍:孙晓刚(1957-),男,吉林人,江西金世纪冶金(集团)股份有限公司高级工程师,长期从事碳纳米管制备工 艺的研究,并对碳纳米管的工业化生产进行了广泛深入的研究和商业策划工作。 收稿日期:2001-02-21 修回日期:2001-05-08 碳纳米管的特性及应用 孙晓刚1,曾效舒2,程国安2 (1.江西金世纪冶金(集团)股份有限公司,江西南昌 330046; 2.南昌大学,江西南昌 330029) 摘 要:介绍了巴基球及碳纳米管的发现和历史,重点介绍 了碳纳米管的基本性能和晶体结构,描述了碳纳米管电传导 和热传导的机理。文中还介绍了碳纳米管的主要生产方法 和各自的优点。根据全球碳纳米管应用研究的方向,对碳纳 米管的应用领域进行了探讨,展望了碳纳米管的应用前景及 商业开发价值。 关键词:碳纳米管;性能;制备;应用 中图分类号:T B383 文献标识码:A 文章编号:1008-5548(2001)06-0029-05 1 碳纳米管简介 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Sm alley教授 进行合作研究,用激光轰击石墨靶以尝试用人工的 方法合成一些宇宙中的长碳链分子。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。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一 种新的碳结构。它由一些柱形的碳管同轴套构而 成,直径大约在1~30nm之间,长度可达到1μm。 进一步的分析表明,这种管完全由碳原子构成,并可 看成是由单层石墨六角网面以其上某一方向为轴, 卷曲360°而形成的无缝中空管。相邻管子之间的 距离约为0.34nm,与石墨中碳原子层与层之间的距 离0.335nm相近,所以这种结构一般被称为碳纳米 管。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。 碳纳米管由层状结构的石墨片卷曲而成,因卷 曲的角度和直径不同,其结构各异:有左螺旋的、右 螺旋的和不螺旋的。由单层石墨片卷成的称为单壁 碳纳米管,多层石墨片卷成的称为多壁碳纳米管。 碳纳米管的径向尺寸较小,管的外径一般在几纳米 到几十纳米;管的内径更小,有的只有1nm左右。 而碳纳米管的长度一般在微米量级,长度和直径比 非常大,可达103~106,因此,碳纳米管被认为是一 种典型的一维纳米材料。 碳纳米管、碳纳米纤维材料一直是近年来国际 科学的前沿领域之一。仅就碳纳米管而言,自从 1991年被人类发现以来,就一直被誉为未来的材 料。 2 基本性能 碳纳米管的性质与其结构密切相关。就其导电 性而言,碳纳米管可以是金属性的,也可以是半导体 性的,甚至在同一根碳纳米管上的不同部位,由于结 构的变化,也可以呈现出不同的导电性。此外,电子 在碳纳米管的径向运动受到限制,表现出典型的量 子限域效应;而电子在轴向的运动不受任何限制。 无缺陷金属性碳纳米管被认为是弹道式导体,其导 电性能仅次于超导体。根据经典电阻理论和欧姆定第7卷第6期 2001年12月 中 国 粉 体 技 术 China Powder Science and Technology Vol.7No.6 December2001

碳纳米管纳米材料的应用要点

碳纳米管及其复合材料在储能电池中的应用 摘要碳纳米管具有良好的机械性能和导电性、高化学稳定性、大表面积以及独特的一维结构,选择合适的方法制备出碳纳米管复合材料,可以使其各种物理化学性能得到增强, 因而在很多领域有着极大的应用前景,尤其是在储能电池中的应用。本文分析了碳纳米管及其复合材料的特点,总结了碳纳米管的储锂机理,对其发展趋势作了展望。 关键词碳纳米管复合材料储能电池应用 Abstract carbon nanotubes(CNTs) are nanometer-sized carbon materials with the characteristics of unique one-dimensional geometric structure,large surface area,high electrical conductivity,elevated mechanical strength and strong chemical inertness. Selecting appropriate methods to prepare carbon nanotube composites can enhance physical and chemical properties , and these composites have a great future in many areas,especially in energy storage batteries . In this paper, based on the analysis and comparison of the advantages and disadvantages of carbon nanotube composites,the enhancement mechanisms of the CNTs catalysts are introduced. Afterward,the lithium ion storage properties are summarized according to the preparation methods of composite materials. Finally, the prospects and challenge for these composite materials are also discussed. Keywords carbon nanotube; composite; energy storage batteries; application 1 引言 碳纳米管(CNTs)在2004 年被人们发现,是一种具有特殊结构的一维量子材料, 它的径向尺寸可达到纳米级, 轴向尺寸为微米级, 管的两端一般都封口, 因此它有很大的强度, 同时巨大的长径比有望使其制作成韧性极好的碳纤维。碳纳米管由于其独特的一维纳米形貌被作为锂离子电池负极材料广泛研究,通过对碳纳米管进行剪切,官能化及掺杂等方法进行改性处理,能有效的减少碳纳米管的首次不可逆容量,增加可逆的储锂比容量。此外,碳纳米管的中空结构也成为抑制高容量金属及金属氧化物体积膨胀理想复合基体。本文中,我们研究了碳纳米管的储锂性能,考察了碳纳米管作为锡类复合材料基体,其内部限域空间对高容量金属及金属氧化物的储锂性能促进的具体原因。该研究结果为碳纳米管以及其他具有限域空间的结构在锂离子电池中的应用提供了参考。 2 碳纳米管的储锂机理和应用 相比广泛应用的石墨类材料,碳纳米管在锂离子电池负极材料中有其独特的应用优势。首先,碳纳米管的尺寸在纳米级,管内及间隙空间也都处于纳米尺寸级,因而具有纳米材料的小尺寸效应,能有效的增加锂离子在化学电源中的反应活性空间;其次,碳纳米管的比表面积较大,能增加锂离子的反应活性位,并且随着

碳纳米管的性质性能及其应用前景

碳纳米管的性质性能其应用前景 The Properties and Applications of Carbon Nano-Tubes 张雅坤北京师范大学化学学院201411151935 摘要:从1991年被正式认识并命名至今,碳纳米管凭借其特殊的结构及异常的力学、电学和化学性能获得了材料、物理、电子及化学界的广泛关注。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入,其广阔的应用前景也不断地展现出来。本文主要对碳纳米管目前的性质性能及其应用前景进行了系统详细的介绍【8】。 关键词:碳纳米管、无机化学、性质性能、应用前景 一、综述 1.发展历史与研究进程 在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛(Lijima)在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时,意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Carbon nanotube”,即碳纳米管,又名巴基管。 1993年,S. Lijima等和D. S. Bethune等同时报道了采用电弧法,在石墨电极中添加一定的催化剂,可以得到仅仅具有一层管壁的碳纳米管,即单壁碳纳米管产物。

1997年,A. C. Dillon等报道了单壁碳纳米管的中空管可储存和稳定氢分子,引起广泛的关注。相关的实验研究和理论计算也相继展开。据推测,单壁碳纳米管的储氢量可达10%(质量比)。此外,碳纳米管还可以用来储存甲烷等其他气体。但该猜测在后来被证实是错误的,碳纳米管无法用于储氢的主要问题有两个:一是假如作为容器进行储氢,则无法对其进行可控的封闭和开启;二是假如用于氢气吸附,则其吸附率不超过1%(质量分数)。 能否控制单壁碳纳米管的生长是近二十余年来一直困扰着碳纳米管研究领域科学家们的难题,能否找到控制方法也成为碳纳米管应用的瓶颈。2014年,这道世界性难题被北京大学李彦教授研究团队攻克,该团队在全球首次提出单壁碳纳米管生长规律的控制方法,研究成果已于2014年6月26日发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上,这是碳纳米管研究方面的又一大突破。 2.碳纳米管的制备方法 常用的碳纳米管制备方法主要有:电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法(碳氢气体热解法)、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等。 2.1电弧放电法 电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电法生产的碳纤维中首次发现碳纳米管的。电弧放电法的具体过程是:将石墨电极臵于充满氦气或氩气的反应容器中,在两极之间激发出电弧,此时温度可以达到4000度左右。在这种条件下,石墨会蒸发,生成的产物有富勒烯(C60)、无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管。通过控制催化剂和容器中的氢气含量,可以

碳纳米管的性质与应用

碳纳米管的性质与应用 【摘要】 本文主要介绍了碳纳米管的结构特点,制备方法,特殊性质,由于碳纳米管独特性质而产生的广泛应用,并对其前景进行展望。 【关键词】 碳纳米管场发射复合材料优良性能 【前言】 自日本NEC科学家Lijima发现碳纳米管以来,碳纳米管研究一直是国际新材料领域研究的热点。由于碳纳米管具有特殊的导电性能、力学性质及物理化学性质等,故其在许多领域具有其广阔的应用前景,自问世以来即引起广泛关注。目前,国内外有许多科学家对碳纳米管进行研究,科研成果颇丰,尤其是碳纳米管在复合材料、储氢及催化等领域的应用。 【正文】 一、碳纳米管的结构 碳纳米管中碳原子以sp2杂化为主,同时六角型网格结构存在一定程度的弯曲,形成空间拓扑结构,其中可形成一定的sp3杂化键,即形成的化学键同时具有sp2和sp3混合杂化状态,而这些p 轨道彼此交叠在碳纳米管石墨烯片层外形成高度离域化的大π 键,碳纳米管外表面的大π 键是碳纳米管与一些具有共轭性能的大分子以非共价键复合的化学基础[1]。 对多壁碳纳米管的光电子能谱研究结果表明,不论单壁碳纳米管还是多壁碳纳米管,其表面都结合有一定的官能基团,而且不同制备方法获得的碳纳米管由于制备方法各异,后处理过程不同而具有不同的表面结构。一般来讲,单壁碳纳米管具有较高的化学惰性,其表面要纯净一些,而多壁碳纳米管表面要活泼得多,结合有大量的表面基团,如羧基等。以变角X 光电子能谱对碳纳米管的表面检测结果表明,单壁碳纳米管表面具有化学惰性,化学结构比较简单,而且随着碳纳米管管壁层数的增加,缺陷和化学反应性增强,表面化学结构趋向复杂化。内层碳原子的化学结构比较单一,外层碳原子的化学组成比较复杂,而且外层碳原子上往往沉积有大量的无定形碳。由于具有物理结构和化学结构的不均匀性,碳

常用国产电子管参数

常用国产电子管参数

常用国产电子管参数 参数 类别 典型特性参数极限运用参数 用途备注 参数名称 灯丝阳极 第一 (控 制) 栅压 帘栅 内 阻 互(跨) 导 放 大 系 数 灯丝 最高 阳极 电压 最大 阳极 功耗 帘栅电 压 电 流 电 压 电 流 第 二 栅 压 第 二 栅 流 电压 (大) 电压 (小) 最高 电压 最大 功耗 符号U f I f U a I a U g1U g2Ig 2R i Sμ U f max U f min U a max P a M U g2m ax P g2 max 单位V A V mA V V mA kΩmA — v —V V V W V W 型 号 二

5AR 4 5 1.9 2 × 55 14 8 极 管 ZB 2= 75 n R l =2 k Ω 5Z1P52± 0.2 2× 500 125—————— 5.5 4.51400 6 2—— 5Z2P52± 0.2 2× 400 125—————— 5.5 4.51400 5 0—— 负载 2.7k Ω 5Z3P52± 0.3 2× 500 230—————— 5.5 4.51500115—— 负载 2kΩ 5Z4P52± 0.2 2× 500 122—————— 5.5 4.51300 6 0—— 负载 4.7k Ω

5Z8P52± 0.7 2× 500 400—————— 5.5 4.51700200—— 负载 1kΩ 5Z9P52± 0.3 2× 500 190—————— 5.5 4.51700100—— 负载 2.2k Ω 6Z4 6.30.62× 350 72——————7 5.71000 2 5—— 负载 5.2k Ω 6Z5P6.30.62× 400 70—————— 6.9 5.71100 3 0—— 负载 5.7k Ω 6H Z 6.30.3 2× 150 17——————7 5.74503—— 负载 10k Ω 300 B-98 5 30 45 -60 56 三极 管 300 BC 5 1.2 30 60 -60 5.3

碳纳米管及其应用新领域

碳纳米管及其应用新领域摘要:综述了碳纳米管材料独特性能及其应用潜力,详细说明了碳纳米管材料在各种应用领域中的巨大应用前景,包括高强度复合材料、微机械、信息存储、纳米电子器件等。关键词:碳纳米管的性能,碳纳米管的应用新领域,储氮材料,复合材料,信息存储,碳纳米电子学 前言:碳纳米管具有典型的层状中空结构特征,构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构,并且大多数由五边形截面所组成。管身由六边形碳环微结构单元组成, 端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构,或者称为多边锥形多壁结构。是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口)的一维量子材料。由于其独特的结构,碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值。 一、碳纳米管的性能 碳纳米管作为一维纳米材料,重量轻,六边形结构连接完美,具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。力学性能 由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化,相比SP3杂化,SP2杂化中S轨道成分比较大,使碳纳米管具有高模量、高强度。 碳纳米管具有良好的力学性能,碳纳米管的硬度与金刚石相当,却拥有良好的柔韧性,可以拉伸。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似,但其结构却比高分子材料稳定得多。碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。若将以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料,可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性,给复合材料的性能带来极大的改善。 导电性能 碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域n键,由于共轭效应显著,碳纳米管具有一些特殊的电学性质。 碳纳米管具有良好的导电性能,由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同,所以具有很好的电学性能。对于一个给定的纳米管,在某个方向上表现出金属性,是良好的导体,否则表现为半导体。对于这个的方向,碳纳米管表现出良好的导电性,电导率通常可达铜的1 万倍。传热性能 碳纳米管具有良好的传热性能,CNTs 具有非常大的长径比,因而其沿着长度方向的热交换性能很高,相对的其垂直方向的热交换性能较低,通过合适的取向,碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。另外,碳纳米管有着较高的热导率,只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管,该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善。 二、碳纳米管电子学的应用 碳纳米电子管(eNTs是一种具有显著电子、机械和化学特性的独特材料。其导电能力不同于普通的导体。性能方面的区别取决于应用,也许是优点,也许是缺点,也许是机会。在一理想纳米碳管内,电传导以低温漂轨道传播的,如果电子管能无缝交接,低温漂是计算机芯片的优点。诸如电连接等的混乱极大地修改了这—行为。对十较慢的模拟信号的处理速度,四周环绕着平向球分子的碳纳米管充当传播者已被实验让实。在后门将有碳的纳米管穿过两根金导线证明了场效应分子晶体管,近来证实逻辑电路的难题 遇到了静电掺杂碳纳米管。碳纳米管的掺杂质可使用化学方法来完成。CMOS类型变极器有 n型和p型掺杂两种。这项工作用达到10A5的开关比率且具有高增益的晶体管电阻逻辑以实验证明了变极器和或非电路的性能。显然,通过适当地排列碳纳米管晶体管顺序可实现与、

碳纳米管综述

碳纳米管综述 摘要:本文主要介绍碳纳米管的发现及发展过程,并说明碳纳米管的制备方法及其制备技术。同时也叙述碳纳米管的各种性能与应用。 引言:在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时,意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Carbon nanotube”,即碳纳米管,又名巴基管。 正文: 碳纳米管的制备: 碳纳米管的合成技术主要有:电弧法、激光烧蚀(蒸发)法、催化裂解或催化化学气相沉积法(CCVD,以及在各种合成技术基础上产生的定向控制生长法等。电弧法 利用石墨电极放电获得碳纳米管是各种合成技术中研究得最早的一种。研究者在优化电弧放电法制取碳纳米管方面做了大量的工作。 T. W. Ebbeseo[2]在He保护介质中石墨电弧放电,首次使碳纳米管的合成达到了克量级。为减少相互缠绕的碳纳米管在阴极上的烧结,D.T.Collbert[3]将石墨阴极与水冷铜阴极座连接,大大减少了碳纳米管缺陷。C. Journet[4]等在阳极中填人石墨粉末和铱的混合物,实现了SWNTs的大量制备。研究发现,铁组金属、一些稀土金属和铂族元素或以单个金属或以二金属混合物均能催化SWNTs 合成。 近年来,人们除通过调节电流、电压,改变气压及流速,改变电极组成,改进电极进给方式等优化电弧放电工艺外,还通过改变打弧介质,简化电弧装置。 综上所述,电弧法在制备碳纳米管的过程中通过改变电弧放电条件、催化剂、电极尺寸、进料方式、极间距离以及原料种类等手段而日渐成熟。电弧法得到的碳纳米管形直,壁簿(多壁甚至单壁).但产率偏低,电弧放电过程难以控制,制备成本偏高其工业化规模生产还需探索。 催化裂解法或催化化学气相沉积法(CCVD) 催化裂解法是目前应用较为广泛的一种制备碳纳米管的方法。该方法主要采用过渡金属作催化剂,适于碳纳米管的大规模制备,产物中的碳纳米管含量较高,但碳纳米管的缺陷较多。 催化裂解法制备碳纳米管所需的设备和工艺都比较简单,关键是催化剂的制备和分散。目前用催化裂解法制备碳纳米管的研究主要集中在以下两个方面:大规模制备无序的、非定向的碳纳米管;制备离散分布、定向排列的碳纳米管列阵。一般选用Fe, Co、Ni及其合金作催化剂,粘土、二氧化硅、硅藻土、氧化铝及氧化镁等作载体,乙炔、丙烯及甲烷等作碳源,氢气、氮气、氦气、氩气或氨气作稀释气,在530℃~1130℃范围内,碳氢化合物裂解产生的自由碳离子在催化剂作用下可生成单壁或多壁碳纳米管。1993年Yacaman等人[5]采用此方法,用Fe催化裂解乙炔,在770℃下合成了多壁碳纳米管,后来分别采用乙烯、聚乙烯、丙烯和甲烷等作为碳源,也都取得了成功。为使碳离子均匀分布,科研人员还用等离子加强或微波催化裂解气相沉积法制备碳纳米管。 激光蒸发法

碳纳米管性质及应用

碳纳米管性质及应用 摘要:碳纳米管的发现是现代科学界的重大发现之一。由于碳纳米管具有特殊的 导电性能、力学性质及物理化学性质等,故其在许多领域具有其广阔的应用前景,自问世以来即引起广泛关注。目前,国内外有许多科学家对碳纳米管进行研究,科研成果颇丰。本文简单综述碳纳米管的基本性质及应用。 关键词:碳纳米管;结构;制备;性质;应用 1 碳纳米管的发现 1991年,日本NEC科学家Lijima在制取C60的阴极结疤中首次采用高分辨隧道电子显微镜(HRTEM)发现一种外径为515nm、内径213nm、仅由两层同轴类石墨圆柱面叠合而成的碳结构。进一步的分析表明,这种管完全由碳原子构成,并看成是由单层石墨六角网面以其上某一方向为轴,卷曲360°而形成的无缝中空管。相邻管子之间的距离约为0.34nm,与石墨中碳原子层与层之间的距离0.335nm相近,所以这种结构一般被称为碳纳米管,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[1]。 2 碳纳米管的结构 碳纳米管(CNT)又名巴基管,是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口)的一维量子材料。它是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷绕而成的无缝、中空的“微管”,每层由一个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形组成的圆柱面。根据形成条件的不同,碳纳米管存在多壁碳纳米管(MWNTs)和单壁碳纳米管(SWNTs) 两种形式。MWNTs一般由几层到几十层石墨片同轴卷绕构成,层间间距为0.34nm左右,其典型的直径和长度分别为 2-30nm0.1-50μm.SWNTs由单层石墨片同轴卷绕构成,其侧面由碳原子六边形排列组成,两端由碳原子的五边形封顶。管径一般从10-20nm,长度一般可达数十微米,甚至长达20cm[2]。 3碳纳米管的制备 碳纳米管的合成技术主要有:电弧法、激光烧蚀(蒸发)法、催化裂解或催化化学气相沉积法(CCVD),以及在各种合成技术基础上产生的定向控制生长法等。 3.1电弧法利用石墨电极放电获得碳纳米管是各种合成技术中研究得最早的一种。研究者在优化电弧放电法制取碳纳米管方面做了大量的工作.T. W. Ebbeseo在He保护介质中石墨电弧放电,首次使碳纳米管的合成达到了克量级。为减少相互缠绕的碳纳米管在阴极上的烧结,D.T.Collbert将石墨阴极与水冷铜阴极座连接,大大减少了碳纳米管缺陷。C. Journet等在阳极中填人石墨粉末和铱的混合物,实现了SWNTs的大量制备。研究发现,铁组金属、一些稀土金属和铂族元素或以单个金属或以二金属混合物均能催化SWNTs合成。 近年来,人们除通过调节电流、电压,改变气压及流速,改变电极组成,改进电极进给方式等优化电弧放电工艺外,还通过改变打弧介质,简化电弧装置。 综上所述,电弧法在制备碳纳米管的过程中通过改变电弧放电条件、催化剂、电极尺寸、进料方式、极间距离以及原料种类等手段而日渐成熟。电弧法得到的碳纳米管形直,壁簿(多壁甚至单壁).但产率偏低,电弧放电过程难以控制,制备

碳纳米管的结构、性能和应用

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: the article reviews the study progress in nanotubes, and gives a brief introduction to single-layer carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes of their morphology, structure and characterization. At the same time ,the commonly used ways of preparation and principles as well as the applications and research prospect of carbon nanotubes are also presented. Key words: carbon nanotubes ; 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、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(Armchair nanotubes)、锯齿型纳米管(Zigzag nanotubes)和手性型纳米管(Chiral nanotubes),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13种类型的碳纳米管 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

碳纳米管制备及其应用

碳纳米管的制备及其应用进展 10710030133 周健波 摘要:本文通过对新型化工材料碳纳米管的结构以及制备方法的介绍,并说明了制备纳米管方法有石墨电弧法、激光蒸发法、催化热解法等技术。同时也叙述了碳纳米管在力学性能、光学性能、电磁学性能等性能的研究及其应用。 关键词:碳纳米管制备结构石墨电弧法应用 1.引言 1991年日本科学家IIJI MA发现了碳纳米管(Carbon nanotube , CNT), 开辟了碳科学发展的新空间. 碳纳米管具有机械强度高、比表面大、电导率高、界面效应强等特点,以及特殊的机械、物理、化学性能,在工程材料、催化、吸附分离、储能器件电极材料等诸多领域得到了广泛应用。 2.碳纳米管的结构 碳纳米管中碳原子以sp2杂化为主, 与相邻的3个碳原子相连,形成六角形网格结构,但此六角形网格结构会产生一定的弯曲, 可形成一定的sp3杂化键。 单壁碳纳米管( SW CNT )的直径在零点几纳米到几纳米之间,长度可达几十微米;多壁碳纳米管(MW CNT)的直径在几纳米到几十纳米之间长度可达几毫米,层与层之间保持固定的间距,与石墨的层间距相当,约为0 . 134 nm。碳纳米管同一层的碳管内原子间有很强的键合力和极高的同轴向性,可看作是轴向具有周期性的一维晶体,其晶体结构为密排六方, 被认为是理想的一维材料。 碳纳米管可看成是由石墨片层绕中心轴卷曲而成, 卷曲时石墨片层中保持不变的六边形网格与碳纳米管轴向之间可能会出现夹角即螺旋角.当螺旋角为零时, 碳纳米管中的网格不产生螺旋而不具有手性, 称之为锯齿型碳纳米管或扶手型碳纳米管;当碳纳米管中的网格产生螺旋现象而具有手性时,称为螺旋型碳纳米管。随着直径与螺旋角的不同, 碳纳米管可表现出金属性或半导体性。 3.碳纳米管的制备方法 3.1石墨电弧法

碳纳米管纳米材料的应用要点

碳纳米管及其复合材料在储能电池中的应用摘要碳纳米管具有良好的机械性能和导电性、高化学稳定性、大表面积以及独特的一维结构,选择合适的方法制备出碳纳米管复合材料,可以使其各种物理化学性能得到增强,因而在很多领域有着极大的应用前景,尤其是在储能电池中的应用。本文分析了碳纳米管及其复合材料的特点,总结了碳纳米管的储锂机理,对其发展趋势作了展望。 关键词碳纳米管复合材料储能电池应用 Abstract carb on nano tubes(CNTs) are nano meter-sized carb on materials with the characteristics of unique one-dimensional geometric structure large surface area high electrical conductivity,elevated mechanical strength and strong chemical inertn ess. Selecti ng appropriate methods to prepare carb on nano tube composites can enhance physical and chemical properties , and these composites have a great future in many areas especially in energy storage batteries . In this paper, based on the analysis and comparis on of the adva ntages and disadva ntages of carb on nano tube composites the enhan ceme nt mecha ni sms of the CNTs catalysts are in troduced. Afterwardthe lithium ion storage properties are summarized according to the preparation methods of composite materials. Finally, the prospects and challenge for these composite materials are also discussed. Keywords carb on nano tube; composite; en ergy storage batteries; applicati on 1引言 碳纳米管(CNTs)在2004年被人们发现,是一种具有特殊结构的一维量子材料,它 的径向尺寸可达到纳米级,轴向尺寸为微米级,管的两端一般都封口,因此它有很大的强度,同时巨大的长径比有望使其制作成韧性极好的碳纤维。碳纳米管由于其独特的一维纳米形貌被作为锂离子电池负极材料广泛研究,通过对碳纳米管进行剪切,官能化及掺杂等方法进行改性处理,能有效的减少碳纳米管的首次不可逆容量,增加可逆的储锂比容量。此外,碳纳米管的中空结构也成为抑制高容量金属及金属氧化物体积膨胀理想复合基体。本文中,我们研究了碳纳米管的储锂性能,考察了碳纳米管作为锡类复合材料基体,其内部限域空间对高容量金属及金属氧化物的储锂性能促进的具体原因。该研究结果为碳纳米管以及其他具有限域空间的结构在锂离子电池中的应用提供了参考。 2碳纳米管的储锂机理和应用 相比广泛应用的石墨类材料,碳纳米管在锂离子电池负极材料中有其独特的应用优势。首先,碳纳米管的尺寸在纳米级,管内及间隙空间也都处于纳米尺寸级,因而具有纳米材料的小尺寸效应,能有效的增加锂离子在化学电源中的反应活性空间;其次,碳纳米管的比表面积较大,能增加锂离子的反应活性位,并且随着碳纳米管的管径减小其表现出非化学平衡或整数配位数的化合价,储锂的容量增大;第三,碳纳米管具有良好的导

碳纳米管的特性及其分析应用

碳纳米管的特性及其分析应用 摘要 碳纳米管作为一维纳米材料,重量轻,六边形结构连接完美,具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。本文着重介绍碳纳米管的特性及其在仪器分析中的应用。 关键词:碳纳米管;特性;仪器分析I

一、引言 碳纳米管(CNT,又名巴基管,于1991年被日本电子公司(NEC的饭岛博士发现。是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级,管子两端基本上都封口)的一维量子材料。由于其优异的力学、电学和光学特性,碳纳米管受到了越来越多的关注。随着时间的推移,CNT的制备与表征手段越发完善,由CNT制成的各种产品技术也趋于成熟。 二、碳纳米管的制备方法 其主要有三种制备方法:分别为电弧放电,激光蒸发法和碳氢化合物催化分解。 (一)电弧放电 电弧放电是指一般情况下由两个电极和它们之间的气体空间所组成电弧能产生高温。但又不同于一般的燃烧现象,它既没有燃料也没有伴随燃烧过程的化学反应。电弧放电实质上是一种气体放电现象,在一定条件下使两极之间的气体空间导电,是电能转化为热能和光能的的一种过程。该方法包括以下具体步骤:对碳纳米管直接施加电压和电流,进行电火花处理,去除碳纳米管表面的附着金属或氧化物催化剂和剥离沉积的非晶碳层,与此同时,切割、定向排列碳纳米管。本技术所采用的电火花处理可在空气中进行,也可在惰性气氛中进行。施加电压可为直流也可为交流,电压10?10 0伏,电流0?10安培。本方法的优点在于能完全去除碳管表面用其它方法难以去除的非晶碳和金属杂质,达到纯化碳 纳米管的目的;另外,此方法还可切割碳纳米管,获得定向排列的碳纳米管。 (二)激光蒸发法 激光蒸发法是制备碳纳米管的一种有效方法?用高能CC2激光或Nd/YAG激光蒸发掺有催化剂的碳靶制备碳纳米管,管径可由激光脉冲来控制。激光脉冲间 隔时间越短,得到的碳纳米管产率越高,而碳纳米管的结构并不受脉冲间隔时间的影响。用CO激蒸发法,在室温下可获得碳纳米管,若采用快速成像技术和发射光谱可观察到氩气中蒸

碳纳米管在电化学中的应用

碳纳米管在电化学中的应用 【摘要】对碳纳米管修饰电极的制备方法、应用以及碳纳米管修饰电极的发展趋势作比较全面的综述。 【关键词】碳纳米管;化学修饰电极 Application of the Carbon nanotube in electrochemistry Abstract The methods of preparation, applications and developing trends of carbon nanotube modified electrodes in the field of electrochemistry were reviewed. Key words Electrochemistry Carbon nanotube modified electrodes 碳纳米管,又名巴基管(buckytube),是1991年由日本科学家饭岛澄男(Sumio Iijima)在高分辨透射电镜(HRTEM)下发现的一种针状的管形碳单质。它以特有的力学、电学和化学性质,以及独特的准一维管状分子结构和在未来高科技领域中所具有的潜在应用价值,迅速成为化学、物理及材料科学等领域的研究热点。目前,碳纳米管在理论计算、制备和纯化生长机理、光谱表征、物理化学性质以及在力学电学、化学和材料学等领域的应用研究方兴未艾,在一些方面已取得重大突破。碳纳米管(CNT)的发现,开辟碳家族的又一同素异形体和纳米材料研究的新领域。 由于CNT具有良好的导电性、催化活性和较大的比表面积,可使过电位大大降低及对部分氧化还原蛋白质能产生直接电子转移现象,因此被广泛用于修饰电极的研究。碳纳米管在作为电极用于化学反应时能促进电子转移。碳纳米管的电化学和电催化行为研究已有不少报道。 1碳纳米管的分类 CNT属于富勒碳系,管状无缝中空,具有完整的分子结构,由碳六元环构成的类石墨平面卷曲而成,其中每个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子发生完全键合,各单层管的顶端有五边形或七边形参与封闭。CNT的径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级,具有较大的长径比。由单层石墨片卷积而成的称为单壁碳纳米管(SWNT),制备时管径可控,一般在1~6 nm之间,当管径>6 nm后CNT 结构不稳定,易塌陷。SWNT轴向长度可达几百纳米甚至几个微米。由两层以上柱状碳管同轴卷积而成的称为多壁碳纳米管(MWNT),层间距约为0.34 nm。

碳纳米管及其应用新领域

碳纳米管及其应用新领域 摘要:综述了碳纳米管材料独特性能及其应用潜力,详细说明了碳纳米管材料在各种应用领域中的巨大应用前景,包括高强度复合材料、微机械、信息存储、纳米电子器件等。 关键词:碳纳米管的性能,碳纳米管的应用新领域,储氮材料,复合材料,信息存储,碳纳米电子学 前言:碳纳米管具有典型的层状中空结构特征,构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构,并且大多数由五边形截面所组成。管身由六边形碳环微结构单元组成, 端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构,或者称为多边锥形多壁结构。是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口)的一维量子材料。由于其独特的结构,碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值。 一、碳纳米管的性能 碳纳米管作为一维纳米材料,重量轻,六边形结构连接完美,具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。力学性能 由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化,相比SP3杂化,SP2杂化中S轨道成分比较大,使碳纳米管具有高模量、高强度。 碳纳米管具有良好的力学性能,碳纳米管的硬度与金刚石相当,却拥有良好的柔韧性,可以拉伸。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似,但其结构却比高分子材料稳定得多。碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。若将以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料,可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性,给复合材料的性能带来极大的改善。 导电性能 碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域π键,由于共轭效应显著,碳纳米管具有一些特殊的电学性质。 碳纳米管具有良好的导电性能,由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同,所以具有很好的电学性能。对于一个给定的纳米管,在某个方向上表现出金属性,是良好的导体,否则表现为半导体。对于这个的方向,碳纳米管表现出良好的导电性,电导率通常可达铜的1万倍。传热性能 碳纳米管具有良好的传热性能,CNTs具有非常大的长径比,因而其沿着长度方向的热交换性能很高,相对的其垂直方向的热交换性能较低,通过合适的取向,碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。另外,碳纳米管有着较高的热导率,只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管,该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善。 二、碳纳米管电子学的应用 碳纳米电子管(cNTs)是一种具有显著电子、机械和化学特性的独特材料。其导电能力不同于普通的导体。性能方面的区别取决于应用,也许是优点,也许是缺点,也许是机会。在一理想纳米碳管内,电传导以低温漂轨道传播的,如果电子管能无缝交接,低温漂是计算机芯片的优点。诸如电连接等的混乱极大地修改了这—行为。对十较慢的模拟信号的处理速度,四周环绕着平向球分子的碳纳米管充当传播者已被实验让实。 在后门将有碳的纳米管穿过两根金导线证明了场效应分子晶体管,近来证实逻辑电路的难题遇到了静电掺杂碳纳米管。碳纳米管的掺杂质可使用化学方法来完成。CMOS类型变极器有n型和p型掺杂两种。这项工作用达到10^5的开关比率且具有高增益的晶体管电阻逻辑以实验证明了变极器和或非电路的性能。显然,通过适当地排列碳纳米管晶体管顺序可实现与、

碳纳米管器件原理和应用

碳纳米管器件原理和 应用 :郭天凯 专业:应用物理 学号:2012437019

摘要: 纳米材料被誉为是21 世纪的重要材料,它将构成未来智能社会的四大支柱之一。碳纳米管在纳米材料中最富有代表性,并且是性能最优异的材料。碳纳米管具有独特的结构形态和优异的电学、力学等性能,碳纳米管的独特结构和优异的物理力学性能使它成为纳米科技领域中构筑纳尺度器件和系统的重要基础,为纳米科技领域的创新提供着持续强劲的原动力。碳纳米管在各种应用领域中的巨大应用前景,包括高强度复合材料、微机械、信息存储、纳米电子器件、平板场致发射显示器以及碳纳米管微操作等,碳纳米管独特的结构和优良性能使其在纳米技术和纳米电子学领域扮演着愈来愈重要的角色,本文综述了碳纳米管器件的原理和应用。 关键词:碳纳米管器件、场效应管、单电子晶体管、电磁屏蔽复合材料、聚合物基吸波复合材料、超电容器电极材料、储氢材料、催化剂载体 正文: 一、碳纳米管器件的制备原理 碳纳米管的生长和制备是场致发射显示器研制中关键的一个环节。目前,人们可以利用激光轰击法、化学汽相沉积法、辉光放电法、直流电弧放电法、气体燃烧法、催化剂高温热解法等多种方法制备碳纳米管。在这些技术当中,直流电弧放电法的生产工艺简单,可以大批量生产。虽然目前已经有很多种制备碳纳米管的方法,但是碳纳米管的大量制备仍然是以电弧放电法和高温催化热解法为主。其中电弧

放电法可以获得具有较高程度石墨化结构的碳纳米管,十分适用于理论研究的需要。C.Journet等人采用电弧法的工艺过程如下:在氩气气氛下,利用阴阳两个电极之间的大量放电现象来实现碳纳米管材料的生长。阴极是一个长约100mm、直径大约6mm的石墨棒,上面刻蚀了一个4mm深、3.5mm 直径大小的孔洞,利用金属催化剂和石墨粉末的混合物进行填充。利用大约为100A的高电流来产生电弧放电,通过不断移动阳极,同时保持阴极和阳极之间的间距为常数(大约为3mm)来实现的。典型的生长时间为2min。从SEM的结果看,存在着大量的、相互缠绕的碳纤维材料均匀地分布在至少为几个平方毫米的衬底表面上,碳纳米管的直径为10~20nm,而两个缠绕点之间的平均距离在几个微米左右,但是看不出碳纳米管的顶端。估计碳纳米管的产量在百分之八十左右。 碳纳米管的电学性能,单壁碳纳米管既可表现为金属性,又可表现为半导体性;电子在碳纳米管中可实现弹道式传输,无电子散射发生,无能量损失;碳纳米管的通流能力可以达到109? 1010A/cm2,并在较高的温度下稳定地存在而没有电迁移现象;碳纳米管的电流传输具有螺旋特征,使其磁场分布主要集中在碳管的部;碳纳米管的场发射特性具有相对低的开启电压和阈值电压、良好的场发射稳定性和长的发射周期;碳纳米管的微波介电特性使其表现出较强的宽带微波吸收性能。碳纳米管的力学性能,比重为钢的1/6,强度为钢的100 倍,氏模量可达1000 GPa,比金刚石高好几倍,弹性模量可达 1 TPa;具有高弹性,高的韧性;通过材料的响应,直接把电能转化为机械能。

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