碳納米管概述

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1、碳納米管概述王剛（08級材料化學(xué)）概論：綜述碳納米管的歷史，合成，應(yīng)用等各方面的問題，借此來達(dá)到研究初步的目的。關(guān)鍵詞：碳納米管，結(jié)構(gòu)，歷史，合成，應(yīng)用。歷史在1991年日本NEC公司基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室的電子顯微鏡專家飯島(Iijima)在高分辨透射電子顯微鏡下檢驗(yàn)石墨電弧設(shè)備中產(chǎn)生的球狀碳分子時，意外發(fā)現(xiàn)了由管狀的同軸納米管組成的碳分子,這就是現(xiàn)在被稱作的“Carbonnanotube”，即碳納米管,又名巴基管?！　?993年。S.Iijima等和DS。Bethune等同時報道了采用電弧法，在石墨電極中

2、添加一定的催化劑，可以得到僅僅具有一層管壁的碳納米管，即單壁碳納米管產(chǎn)物。　　1997年，AC.Dillon等報道了單壁碳納米管的中空管可儲存和穩(wěn)定氫分子，引起廣泛的關(guān)注。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究和理論計(jì)算也相繼展開。初步結(jié)果表明：碳納米管自身重量輕，具有中空的結(jié)構(gòu)，可以作為儲存氫氣的優(yōu)良容器，儲存的氫氣密度甚至比液態(tài)或固態(tài)氫氣的密度還高。適當(dāng)加熱，氫氣就可以慢慢釋放出來。研究人員正在試圖用碳納米管制作輕便的可攜帶式的儲氫容器。據(jù)推測，單壁碳納米管的儲氫量可達(dá)10%（質(zhì)量比）。此外，碳納米管還可以用來儲存甲烷等

3、其他氣體。結(jié)構(gòu)在1991年日本NEC公司基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室的電子顯微鏡專家飯島(Iijima)在高分辨透射電子顯微鏡下檢驗(yàn)石墨電弧設(shè)備中產(chǎn)生的球狀碳分子時，意外發(fā)現(xiàn)了由管狀的同軸納米管組成的碳分子,這就是現(xiàn)在被稱作的“Carbonnanotube”，即碳納米管,又名巴基管。碳納米管具有典型的層狀中空結(jié)構(gòu)特征,構(gòu)成碳納米管的層片之間存在一定的夾角碳納米管的管身是準(zhǔn)圓管結(jié)構(gòu)，并且大多數(shù)由五邊形截面所組成。管身由六邊形碳環(huán)微結(jié)構(gòu)單元組成,端帽部分由含五邊形的碳環(huán)組成的多邊形結(jié)構(gòu)，或者稱為多邊錐形多壁結(jié)構(gòu)。是一種

4、具有特殊結(jié)構(gòu)（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。它主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管。層與層之間保持固定的距離，約為0.34nm，直徑一般為2～20nm。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，碳納米管的研究具有重大的理論意義和潛在的應(yīng)用價值，如：其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)是理想的一維模型材料;巨大的長徑比使其有望用作堅(jiān)韌的碳纖維，其強(qiáng)度為鋼的100倍，重量則只有鋼的1/6;同時它還有望用作為分子導(dǎo)線，納米半導(dǎo)體材料，催化劑載體，分子吸收劑和近場發(fā)射材料等?？茖W(xué)家們還預(yù)測碳納

5、米管將成為21世紀(jì)最有前途的納米材料，以碳納米管為材料的顯示器將是很薄的，可以像招貼畫那樣掛在墻上。韓國的三星電子公司已展示了從納米管發(fā)射電子轟擊屏幕的顯示屏，該公司估計(jì)兩年內(nèi)碳納米管顯示屏將上市。雖然碳納米管的技術(shù)性能非常好，但因成本和其他因素其大規(guī)模推廣仍將會是一個長期的過程。目前，在各大學(xué)的物理系和像IBM那樣的公司都在制造碳納米管，每克碳納米管的價格是100美元左右。我國對此項(xiàng)研究雖然起步較晚，但發(fā)展很快。目前碳納米化學(xué)方興未艾，內(nèi)容豐富，前景誘人。通過對碳納米管的研究，必然帶動相應(yīng)學(xué)科的發(fā)展

6、。合成自發(fā)現(xiàn)以來，國內(nèi)外學(xué)者對CNTs進(jìn)行了大量研究，其中包括對獲得大批量、低成本、高純度CNTs合成方法的探索，目前己形成以電場梯度和熱梯度為CNTs生長提供驅(qū)動力的兩大類主流微細(xì)加工技術(shù)，具體包括：1)電弧放電法電弧放電法是lijima首次發(fā)現(xiàn)碳納米管時所采用的方法，其原理是石墨電極在電弧放電產(chǎn)生的高溫下蒸發(fā)，于陰極附近沉積出CNTs[1]2)激光蒸發(fā)法激光蒸發(fā)法的原理是利用激光在特定氣氛下照射含有金屬催化劑和碳源的靶材并將其蒸發(fā)，同時結(jié)合一定反應(yīng)氣體，在基底或反應(yīng)腔壁沉積出CNTs[2]3)化學(xué)

7、氣相沉積法(CVD法)CVD法是通過烴類(如甲烷、乙烯、苯等)或含碳氧化物(如CO等)在催化劑(如過渡族金屬Fe、Co、Ni、Cr、Cu等)作用下裂解并重構(gòu)而制備CNTs的方法。1993年，Yacaman掣56】以2．5％Fe／石墨顆粒為催化劑、乙炔為碳源，首次針對性的采用該方法合成出長度509m、直徑和結(jié)構(gòu)與TOima報道結(jié)果相當(dāng)?shù)腗WNTs。[3]4)其它方法除上述主要方法外，國內(nèi)外學(xué)者還進(jìn)行了其它CNTs合成方法的深入探索，例如，Cho等[4]通過熱解聚合物法在400℃熱解檸檬酸和甘醇聚合物制備

8、出CNTs；Richter糾叫采用火焰法對乙炔、氧、氬氣混合氣進(jìn)行燃燒得到了SWNTs：Chemozatonskii等[5]咧通過離子(電子束)輻射法利用硅基體上的石墨合成出定向排列CNTs，采用金屬材料原位合成法在Fe—Ni．C、Ni—Fe—C、Fe—Ni—Co．C的粉末冶金產(chǎn)物中制備出富勒烯和SWNTsHsu掣67J以熔融堿金屬鹵化物為電解液、石墨棒為電極，通過電解法合成出了CNTs和洋蔥碳；Kyotani等[6]采用模板碳化技術(shù)在氧化鋁模板的溝槽中