爱华网单壁纳米碳管的合成及其应用现状
邓小雪 20062401074
(华南师范大学化学与环境学院广州 510006)
摘要本文讨论了单壁碳纳米管独特的结构、性质和制备方法。由于单壁碳纳米管独特的结构, 而导致其独特的电性质、吸附性和力学性能,对单壁碳纳米管目前在电子领域、储氢和复合材料等方面应用研究作了综合阐述。
关键词 单壁碳纳米管,双层电容器,储氮材料,复合材料
Synthesis and Applications of Single-Wall CarbonNanotube
Deng Lirong 20062401074
(College of Chemistry and Environment, SouthChina Normal University, Guangzhou 510006)
Abstract This article discusses the unique structure ofsingle-wall carbon nanotubes,nature and preparation methods. Due tothe unique structure of single walled carbon nanotubes, as a resultof its unique nature of the electrical ,adsorption and mechanicalproperties. the single walled carbon nanotubes in electronics,composite materials, hydrogen storage and applied research onsynthesis.
Key words Single-wall carbon nanotubes, double-layercondenser, storage nitrogen materials, composite materials.
1991年, 日本NEC公司基础研究实验室电子显微镜专家LiJi-ma在高分辨率透射电子显微镜下观察C60结构时,偶然发现了直径4一30nm,长达μm量级、管壁呈石墨结构的多层碳分子[1],这就是今天被广泛关注的碳纳米管。然而, Li Ji-ma当时所发现的并不是单壁碳纳米管, 其最小层数为2,称为双壁碳纳米管。1993年NEC和IBM的研究小组同时成功地合成单层的碳纳米管(SWCNTs) [2,3]。从某种意义上讲, 单壁碳纳米管才是真正意义上的碳纳米管。由于单壁碳纳米管独特的结构,极高的力学性能,独特的电性质和化学稳定性, 激起了世界范围内的许多科学家包括物理学家、化学家和材料学家的极大兴趣,掀起一股碳纳米管研究热。近年来,随着碳纳米管制备工艺的突破, 其潜在的应用前景日益受到关注, 从目前的应用研究现状来看,碳纳米管材料有望在不久的将来首先实现规模性的工业应用。
本文本文通过综述大量文献，总结单壁纳米碳管结构、性质、合成方法及其近年来的研究进展与应用。
1 单壁纳米碳管的结构和性质
1.1 单壁纳米碳管的结构
多层碳纳米管是由多个碳原子六方点阵的同轴圆柱面套构而成的空心小管,而单壁碳纳米管仅由一个碳圆柱面构成。这种管状结构的管壁由类似于石墨片的六边形网格所组成, 六边形网格的交点即为碳原子所在,每个碳原子与周围的个碳原子相邻。同时,管的两端〔端帽〕由五边形的碳环组成的多边形结构封闭。单壁碳纳米管的直径一般在0.4～2.0nm之间[4-7],在1.2-1.4nm范围内的最多, 且几十根集合成一束, 长度可达数微米，关于晶体结构,朱艳秋经实测认为单壁碳纳米管属六方晶系晶体结构,其晶格常数a=0.2457nm，c=0.6852[8]。根据螺旋角的不同,可将碳纳米管分为扶手椅型、锯齿型和非螺旋管3种[9]。结构示意图如下：
图1 单壁纳米碳管结构示意图[10]
1.2 单壁纳米碳管的性质
当材料尺度减小到纳米量级, 会产生在宏观尺度上完全看不到的或者是特别优异的性能,达到纳米量级的材料会产生自组装效应、小尺寸效应、表面效应和量子效应等。单壁碳纳米管正是因为自组装效应,使得不论采用何种制备方法获得的单壁碳纳米管, 碳原子均能以六边形的单元组成空心的管状结构,并目这种管状结构的端帽是自动封闭的。由于纳米尺度的小尺寸量子效应,使原有的有关导体的电阻概念必须用量子力学模型来代替。电子沿碳纳米管的径向运动受到限制, 而沿轴向的运动却不受任何限制, 呈弹导式,可以认为碳纳米管是一维量子导线, 使碳纳米管显示出优良的导电性, 其导电性仅次于超导体。另外, 作为典型的一维量子输运材料,金属性的碳纳米管在低温下表现出库仑阻塞效应, 即电子只能一个一个地进人, 能够强力地阻止“ 插队” 的电子,这个现象可用来制造单电子晶体管。由于表面效应,使单壁碳纳米管具有最大的比表面积, 导致它具有极高的表面活性,而可以作为新型催化材料。除此之外, 由于单壁碳纳米管中碳原子问跄小、管径小, 使得结构中不易出现缺陷, 因此,碳纳米管具有极高的强度和极大的韧性。表1列出了单壁碳纳米管的一些显著性能[11]。
表1 单壁纳米碳管的特性[3,12]
特性密度抗拉强度弹性模量电流密度电阻率导热率热稳定性 m/g.cm-1G/MpaT/Mpaδ/A.cm2ρ/Ω.cmλ/W(m.K)t/(℃) |
参数1.3-1.4045-1110-420002800(真空)/750（空气） |
单壁纳米碳管的性质与其结构密切相关，不同结构的单壁纳米碳管可以呈金属性，也可以呈半导体特性，这使其成为下一代纳米电子器件等领域的重要功能材料．单壁纳米碳管独特的结构及各种优异的性能已被应用到氢气储存、分子导线、场效应三极管、二极管以及场发射器件等很多领域和方面[13-19]。
2 单壁纳米碳管的制备方法
单壁纳米碳管具有巨大的潜在应用前景，而且关于单壁纳米碳管的研究取得了较大进展，但是目前还不能实现单壁纳米碳管的大规模生产以及可控生长。单壁纳米管产量只有克量级，而控制得到所需结构的单壁纳米管比较困难。随着基础研究和应用研究的不断深入和拓展，对单壁纳米碳管的需求会越来越大，也会对结构提出越来越高的要求，如何实现单壁纳米碳管的规模化生产，如何控制单壁纳米碳管的直径、长度以及螺旋度等已经成为研究的重点．目前制备单壁纳米碳管的方法主要有电弧放电法、化学气相沉积方法(CVD)以及激光蒸发法等[20]。
2.1 电弧放电法
