功能化碳納米管修飾電極的研究進(jìn)展

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1、功能化碳納米管修飾電極的研究進(jìn)展摘　要　綜述了碳納米管自發(fā)現(xiàn)以來(lái)在分析化學(xué)領(lǐng)域中的一些研究成果,重點(diǎn)介紹了碳納米管的制備、、修飾以及作為一種新材料在分析化學(xué)中的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)40篇。碳納米管(carbonnanotube,CNT)自問(wèn)世以來(lái)[1,2],由于其獨(dú)有的結(jié)構(gòu)和奇特的物理、化學(xué)特性,成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)之一。其優(yōu)良特性包括:各向異性、高的機(jī)械強(qiáng)度和彈性、優(yōu)良的導(dǎo)熱導(dǎo)電性等。隨著CNT的合成技術(shù)和純化方法的不斷完善,人們開(kāi)始把注意力轉(zhuǎn)向應(yīng)用研究,進(jìn)行了很多探索。碳納米管獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)使它具有顯著的電子特

2、性,是構(gòu)建下一代電子器件和網(wǎng)絡(luò)頗具吸引力的材料,基于CNT的器件包括:單電子晶體管[3,4]、分子二極管[5,6]、存儲(chǔ)元件[7]和邏輯門(mén)[8]等;CNT非凡的抗張強(qiáng)度使其可用于制造CNT加強(qiáng)纖維和用作聚合物添加劑[9];在分析化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用包括制作各種特定用途的生物/化學(xué)傳感器[10～13]及納米探針(例如,用作原子力顯微鏡探針尖,在體檢測(cè)的生物探針等);高的比表面積和極強(qiáng)的吸附性可使碳納米管作為儲(chǔ)氫、儲(chǔ)能材料等等。這一新型材料許多潛在的應(yīng)用還有待于人們繼續(xù)發(fā)掘。1991年Iijima首先用高分辨透射電境(HRTE

3、M)發(fā)現(xiàn)具有納米尺寸的多層碳納米管(MWNT)1,1993年又發(fā)現(xiàn)了單層碳納米管(SWNT)2。碳納米管(carbonnanotube,CNT)是由碳六元環(huán)構(gòu)成的類(lèi)石墨平面卷曲而成的納米級(jí)中空管,其中每個(gè)碳原子通過(guò)sp2雜化與周?chē)?個(gè)碳原子發(fā)生完全鍵合。單層和多層碳納米管是根據(jù)碳管壁中碳原子層的數(shù)目而分的,各單層管的頂端有五邊形或七邊形參與封閉,MWNT的層間距一般為0.34nm。因合成條件的不同CNT的內(nèi)徑可控制在10nm左右,外徑達(dá)幾十個(gè)納米,軸向長(zhǎng)度卻可達(dá)幾十微米甚至更長(zhǎng),縱橫比在100～1000范圍間。CNT

4、獨(dú)特的一維管狀分子結(jié)構(gòu)開(kāi)辟了納米材料的新領(lǐng)域,人們?cè)诓粩嚅_(kāi)發(fā)新的合成途徑的同時(shí),也在努力挖掘著這一新型材料潛在的應(yīng)用前景。例如碳納米管的頂端很銳,有利于電子的發(fā)射,可用做電子發(fā)射源,推動(dòng)壁掛電視的發(fā)展;碳納米管還可用做掃描隧道顯微鏡的探針;極高的機(jī)械強(qiáng)度可以使其作為高強(qiáng)度纖維的首選材料;特殊的導(dǎo)電性可以使其應(yīng)用在電池材料、納米導(dǎo)線和電門(mén)開(kāi)關(guān)中;高的比表面積和極強(qiáng)的吸附性可使碳納米管作為儲(chǔ)氫或儲(chǔ)能材料等等。由于CNT獨(dú)有的結(jié)構(gòu)和奇特的物理、化學(xué)特性,成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)之一。但CNT在分析化學(xué)中的應(yīng)用研究相對(duì)以上領(lǐng)

5、域而言,似乎起步較晚,為了促進(jìn)這種新材料在分析化學(xué)中的應(yīng)用,本文從分析的角度總結(jié)了CNT的制備、純化、修飾以及已在分析化學(xué)領(lǐng)域的研究情況,旨在促進(jìn)它在此領(lǐng)域的研究進(jìn)展。2　碳納米管的制備方法自發(fā)現(xiàn)CNT以來(lái),人們嘗試了多種方法進(jìn)行制備研究,取得了一定的進(jìn)展。如電弧放電(arcdischarge)3、激光燒灼(laserablation)4、碳?xì)浠衔锎呋纸?catalyticdecompositionofhydrocarbons)5,6等方法。近來(lái)碳?xì)浠衔餁庀啻呋纸夥▊涫苎芯空叩那嗖A,如何獲得有效的催化劑,從而

6、方便可控地制得CNT成為研究的熱點(diǎn)。Muller7等將Ni(C8H12)2涂覆在石英片上作為催化劑,得到直徑大于300nm的CNT;Ruckenstein等8以浸漬法制得的Ni2CePAl2O3催化劑,獲得的碳納米管管徑分布較寬;梁奇等9制備了四方結(jié)構(gòu)復(fù)合氧化物L(fēng)a2NiO4,并以其為催化劑,甲烷和一氧化碳為碳源,合成出大量高純度的CNT;梁奇10等又采用CH4PO2氧化還原氣氛,利用Ni2Ce催化劑制備出用作鋰離子二次電池負(fù)極材料的CNT,充放電性能得以提高。在以上許多的制備方法中,有一個(gè)共同的特點(diǎn),即產(chǎn)生小的碳(

7、Cn)組分以使CNT生長(zhǎng),從這一點(diǎn)來(lái)看,各種合成方法的區(qū)別在于產(chǎn)生碳組分的方法不同。電弧放電和激光燒灼是由電極或靶蒸發(fā)產(chǎn)生的碳蒸氣;碳?xì)浠衔锎呋纸夥ㄊ怯商細(xì)浠衔锱c催化劑相互作用產(chǎn)生的碳蒸氣;可以設(shè)想CNT的生長(zhǎng)不僅來(lái)自于碳原子或集合體,而且可以來(lái)自碳的自由基CH·3或C2H·5及后續(xù)的脫氫反應(yīng),類(lèi)似于金剛石的化學(xué)氣相沉積?；诖嗽O(shè)想,Matveev等11報(bào)道了液氨及乙炔電化學(xué)合成MWNT的方法,不使用催化劑,溫度為233K,是合成CNT方法中溫度最低者。最近,范守善12利用硅基質(zhì)生長(zhǎng)出定向有序的碳納米管陣列,有

8、望應(yīng)用于平板顯示器。王賢寶等13通過(guò)高溫裂解酞菁金屬絡(luò)合物(FeC32N8H16PYC32N8H16,FePcPYpc)來(lái)生長(zhǎng)陣列碳納米管膜。解思深14領(lǐng)導(dǎo)的小組在CNT研究方面取得突破性進(jìn)展,應(yīng)用改進(jìn)后的制備大面積、離散分布的碳納米管陣列的新工藝,成功的控制了碳納米管的生長(zhǎng)模式,制備的CNT的外徑均勻一致,其尺寸范圍為20～40nm,CNT的