碳納米管復(fù)合物修飾電極的研究及應(yīng)用文獻(xiàn)綜述

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1、文獻(xiàn)綜述碳納米管復(fù)合物修飾電極的研究及應(yīng)用1．前言碳納米管，被稱為21世紀(jì)的“夢幻材料”，是由自然界最穩(wěn)定的碳碳共價(jià)鍵組成的完美結(jié)構(gòu)、直徑為納米級的管狀大分子。自從1991年被發(fā)現(xiàn)以來，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和奇特的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等特性以及其潛在的應(yīng)用前景而倍受人們的關(guān)注。作為石墨、金剛石等碳晶體家族的新成員，碳納米管韌性很高，導(dǎo)電性極強(qiáng)，場發(fā)射性能優(yōu)良，兼具金屬性和半導(dǎo)體性。因?yàn)樾阅芷嫣?，被科學(xué)家稱為未來的“超級纖維”。應(yīng)用覆蓋材料、化學(xué)、化工、生物、電子、熱學(xué)和能源等多個(gè)領(lǐng)域。碳納米管是一種具有特殊結(jié)構(gòu)（徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級）的

2、一維量子材料，主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層的同軸圓管。層與層之間保持固定的距離，約0.34nm。碳納米管獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其具有良好的性能：抗拉強(qiáng)度是鋼的100倍，但重量不及鋼的1/6；韌性高；穩(wěn)定性好；抗離子轟擊能力強(qiáng)；導(dǎo)電性強(qiáng)；比表面積大；兼具金屬和半導(dǎo)體的性質(zhì)；軸向?qū)嵝院?；電磁屏蔽?yōu)越。碳納米管屬于晶態(tài)碳，其管壁與石墨結(jié)構(gòu)一樣。通常，大批量生產(chǎn)的低維納米材料本身存在著許多缺陷，分散性也比較差。特別是碳納米管的表面結(jié)構(gòu)往往影響電學(xué)、力學(xué)和光學(xué)等諸多性能。這些因素降低了碳納米管作為納米材料的優(yōu)越性能，影響了碳納米管的應(yīng)用。為了改善碳納米管表面

3、結(jié)構(gòu)，一般采用表面修飾方法，從而改善或改變碳納米管的分散性、穩(wěn)定性以及與其他物質(zhì)之間的相容性，賦予其新的物理、化學(xué)、機(jī)械性能和新的功能[5]。為此，國內(nèi)外的研究者對碳納米管開展了各種表面修飾方法研究。2.碳納米管的制備方法碳納米管的合成技術(shù)主要有：電弧法、激光燒蝕(蒸發(fā))法、催化裂解或催化化學(xué)氣相沉積法(CCVD),以及在各種合成技術(shù)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的定向控制生長法等。2．1電弧法：利用石墨電極放電獲得碳納米管是各種合成技術(shù)中研究得最早的一種。研究者在優(yōu)化電弧放電法制取碳納米管方面做了大量的工作。T.W.Ebbeseo[2]在He保護(hù)介質(zhì)中石墨電弧放電

4、，首次使碳納米管的合成達(dá)到了克量級。為減少相互纏繞的碳納米管在陰極上的燒結(jié)，D.T.Collbert[3]將石墨陰極與水冷銅陰極座連接，大大減少了碳納米管缺陷。C.Journet[4]等在陽極中填人石墨粉末和銥的混合物，實(shí)現(xiàn)了SWNTs的大量制備。研究發(fā)現(xiàn)，鐵組金屬、一些稀土金屬和鉑族元素或以單個(gè)金屬或以二金屬混合物均能催化SWNTs合成。近年來，人們除通過調(diào)節(jié)電流、電壓，改變氣壓及流速，改變電極組成，改進(jìn)電極進(jìn)給方式等優(yōu)化電弧放電工藝外，還通過改變打弧介質(zhì)，簡化電弧裝置。綜上所述，電弧法在制備碳納米管的過程中通過改變電弧放電條件、催化劑、電極尺

5、寸、進(jìn)料方式、極間距離以及原料種類等手段而日漸成熟。電弧法得到的碳納米管形直，壁簿(多壁甚至單壁).但產(chǎn)率偏低，電弧放電過程難以控制，制備成本偏高其工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)還需探索。2．2催化裂解法或催化化學(xué)氣相沉積法(CCVD)催化裂解法是目前應(yīng)用較為廣泛的一種制備碳納米管的方法。該方法主要采用過渡金屬作催化劑，適于碳納米管的大規(guī)模制備，產(chǎn)物中的碳納米管含量較高，但碳納米管的缺陷較多。催化裂解法制備碳納米管所需的設(shè)備和工藝都比較簡單，關(guān)鍵是催化劑的制備和分散。目前用催化裂解法制備碳納米管的研究主要集中在以下兩個(gè)方面：大規(guī)模制備無序的、非定向的碳納米管;制

6、備離散分布、定向排列的碳納米管列陣。一般選用Fe,Co、Ni及其合金作催化劑，粘土、二氧化硅、硅藻土、氧化鋁及氧化鎂等作載體，乙炔、丙烯及甲烷等作碳源，氫氣、氮?dú)?、氦氣、氬氣或氨氣作稀釋氣，?30℃~1130℃范圍內(nèi)，碳?xì)浠衔锪呀猱a(chǎn)生的自由碳離子在催化劑作用下可生成單壁或多壁碳納米管。1993年Yacaman等人[5]采用此方法，用Fe催化裂解乙炔，在770℃下合成了多壁碳納米管，后來分別采用乙烯、聚乙烯、丙烯和甲烷等作為碳源，也都取得了成功。為使碳離子均勻分布，科研人員還用等離子加強(qiáng)或微波催化裂解氣相沉積法制備碳納米管。2．3激光蒸發(fā)法激光

7、蒸發(fā)法是制備單壁碳納米管的一種有效方法。用高能CO2激光或Nd/YAG激光蒸發(fā)摻有Fe、Co、Ni或其合金的碳靶制備單壁碳納米管和單壁碳納米管束，管徑可由激光脈沖來控制。Iijima[6]等人發(fā)現(xiàn)激光脈沖間隔時(shí)間越短，得到的單壁碳納米管產(chǎn)率越高，而單壁碳納米管的結(jié)構(gòu)并不受脈沖間隔時(shí)間的影響。用CO2激光蒸發(fā)法，在室溫下可獲得單壁碳納米管，若采用快速成像技術(shù)和發(fā)射光譜可觀察到氬氣中蒸發(fā)煙流和含碳碎片的形貌，這一診斷技術(shù)使跟蹤研究單壁碳納米管的生長過程成為可能。激光蒸發(fā)(燒蝕)法的主要缺點(diǎn)是單壁碳納米管的純度較低、易纏結(jié)。2．4定向生長法定向生長首先

8、是特定制作基底模板之上的生長，模板的制作是決定生成的產(chǎn)物是否定向的關(guān)鍵。模板可通過掩膜技術(shù)、電鍍技術(shù)、化學(xué)刻蝕、表面包覆、溶膠一凝膠、微