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1、無機(jī)合成及制備化學(xué)論文題目：碳納米管的合成及應(yīng)用6摘要：材料化學(xué)是一門快速發(fā)展的交叉性和前沿性學(xué)科，有機(jī)的融合了化學(xué)和材料兩個(gè)一級學(xué)科的發(fā)展優(yōu)勢。材料化學(xué)在深刻認(rèn)識材料的結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的基礎(chǔ)上，探索與新材料發(fā)展相適應(yīng)的化學(xué)合成新方法和新技術(shù)，設(shè)計(jì)并合成具有優(yōu)異功能和結(jié)構(gòu)特征的新型材料。碳是一種常見的非金屬元素，位于元素周期表的第二周期IVA族，以多種形式廣泛存在于大氣和地殼之中。碳單質(zhì)很早就被人認(rèn)識和利用，碳的一系列化合物——有機(jī)物更是生命的根本。碳能通過化學(xué)反應(yīng)自我結(jié)合而形成大量化合物，這些化合物很多都是生物和工業(yè)的重要分子。文章主要介紹碳結(jié)構(gòu)的多樣性、碳在納米領(lǐng)域的制備和應(yīng)
2、用、碳的各種同素異形體以及在化學(xué)反應(yīng)中的作用。關(guān)鍵詞：碳納米管、場效應(yīng)晶體管、催化劑載體、電子效應(yīng)、化學(xué)氣相沉積、共軛體系、電弧放電法。正文：碳單質(zhì)可以以多種形式存在，自然界中最常見的兩種單質(zhì)是高硬度的金剛石和柔軟的石墨，它們的晶體結(jié)構(gòu)和鍵型都不同。金剛石每個(gè)碳都是四面體4配位；石墨每個(gè)碳都是三角形3配位，可以看做是無限個(gè)苯環(huán)稠合起來。納米材料以及納米結(jié)構(gòu)是當(dāng)今新材料研究領(lǐng)域中最為核心、最接近應(yīng)用的部分。在近年取得成果中，納米材料尤為突出，碳納米管以及石墨烯是其中的典型代表【1】。由于它們具有很多優(yōu)異而獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)和機(jī)械性質(zhì)，呈現(xiàn)出廣泛地應(yīng)用前景，因此成為國際上眾多科學(xué)家關(guān)
3、注和研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。同時(shí)，由于碳材料的優(yōu)越性，運(yùn)用碳材料中的微觀結(jié)構(gòu)制作的納米分子器件和納米電路已成為科學(xué)家的重點(diǎn)研究對象。掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的出現(xiàn)，使得人們可以俘獲和放置、排列特定的單一碳原子或者碳納米結(jié)構(gòu)，構(gòu)建出特定的納米器件。因此，納米材料在未來大有可為。1.1碳納米管1991年，日本電子公司的Iijima[2]用高分辨率電子顯微鏡仔細(xì)研究了用電弧蒸發(fā)產(chǎn)出的富勒烯副產(chǎn)物炭黑，初期的研究結(jié)果令人失望，從電弧蒸發(fā)箱的壁上收集到的炭黑幾乎全部是無定型碳，很少帶有明顯的、長程的結(jié)構(gòu)。后來，他放棄從這類炭黑中的篩選，轉(zhuǎn)而考察電弧蒸發(fā)后在石墨陰極上形成的硬質(zhì)沉淀物，在高分辨
4、電鏡下觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)，陰極炭黑中含有針狀物，其直徑為4～30nm、長約1000nm、由2～50個(gè)同心管構(gòu)成。后來被稱為納米管材料，也揭開了近年來關(guān)于納米材料研究的序幕。1.2碳納米管的應(yīng)用碳納米管是由碳原子形成的石墨片層卷成的無縫、中空的管體。一般可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。由于碳納米管的直徑很小、長徑比大，故可視為一維納米材料。理論預(yù)測和實(shí)驗(yàn)研究都發(fā)現(xiàn)碳納米管具有獨(dú)特的電學(xué)性能，可用于制作晶體管等納米電子器件。主要用途有一下幾點(diǎn)：（1）超級電容器碳納米管用作雙點(diǎn)層電容器電極材料。雙電層電容器既可以用作電容器也可以作為一種能量存儲(chǔ)裝置。超級電容器可大電流充放電，幾乎沒有充放電
5、過6電壓，循環(huán)壽命可達(dá)上萬次，工作溫度范圍很寬。雙層點(diǎn)容器在聲頻、視頻設(shè)備、調(diào)諧器、電話機(jī)和傳真機(jī)等通信設(shè)備及各種家用電器中均可得到廣泛地應(yīng)用。作為雙電層電容器的電極材料，要求該材料結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好、比表面積大，微孔大小集中在一定的范圍內(nèi)。而目前一般用多孔炭作電極材料，不但微孔分布寬，而且結(jié)晶度低、導(dǎo)電性差，導(dǎo)致容量小。沒有合適的電極材料是限制雙層電容器在更廣范圍內(nèi)應(yīng)用的一個(gè)重要原因。碳納米管比表面積大、結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好，微孔大小可以通過合成工藝加以控制，因而是一種理想的雙電層電容器電極材料。（1）能源方面的應(yīng)用碳納米管也可被用作鋰離子電池的負(fù)極材料。碳納米管的層間距為0.
6、34nm，略大于石墨的層間距0.335nm，這有利于Li+的嵌入與遷出，它特殊的圓筒狀構(gòu)型不僅可使Li+從外壁和內(nèi)壁兩方面嵌入，又可以防止因溶劑化Li+嵌入引起的石墨層剝離而造成負(fù)極材料的損壞。碳納米管參雜石墨時(shí)可提高石墨負(fù)極的導(dǎo)電性，消除極化。（3）場發(fā)射管在硅片上鍍上催化劑，在特定條件下使碳納米管在硅片上垂直生長形成陣列式結(jié)構(gòu)，用于制造超高清晰度平板顯示器，清晰度可大數(shù)萬線。同時(shí)也可使碳納米管在鎳、鈦、鉻、鎢、玻璃、石墨等材料上形成陣列式結(jié)構(gòu)，制造各種用途的場發(fā)射管。（4）信息存儲(chǔ)碳納米管作為信息寫入及讀出探頭，其信息寫入及讀出點(diǎn)可達(dá)1.3nm，（當(dāng)存儲(chǔ)信號的斑點(diǎn)為10nm
7、時(shí)，其存儲(chǔ)密度為1012bits/cm2,稱其為超高密度，比目前市場上的產(chǎn)品高4個(gè)數(shù)量級），該技術(shù)將會(huì)給信息存儲(chǔ)帶來革命性進(jìn)步。（5）催化劑載體碳納米管材料比表面積大，表面原子比率大，使體系的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)明顯改變，表現(xiàn)出特殊的電子效應(yīng)和表面效應(yīng)，如氣體通過碳納米管的擴(kuò)散速度為常規(guī)催化劑顆粒的上千倍，負(fù)載催化劑后可以極大提高催化劑的活性和選擇性，使其在加氫、脫氫和選擇催化的反應(yīng)中具有很大的應(yīng)用潛力。（6）生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用碳納米管在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面的關(guān)鍵優(yōu)勢之一是它你們可以很容易的被細(xì)胞內(nèi)吞，
