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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

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