新型炭材料--纳米碳管论文
新型炭材料——纳米碳管
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摘要:碳纳米管的发现是碳团簇领域的又一重大科研成果,本文探讨了碳纳米管的结构、特性、制备、应用、进展研究、前景等。 关键词:新型碳材料,纳米碳管,性质,应用
碳元素广泛存在于茫茫苍穹的宇宙间和浩瀚无垠的地球上,碳是地球上构成化合物种类最多的元素之一,是一切生物有机体的骨架元素,也可以说没有碳元素就没有生命。炭材料具有比重小、耐热、耐腐蚀、耐热冲击、导电、传热性好、高温强度、自润滑性、生体相容性等一系列其它材料所没有的综合特性,被认为是面向2世纪的极有发展前途的新材料。特别是随着新型碳材料的不断开发和发现,使炭材料研究在全球材料科学界、物理界和化学界受到了广泛关注。炭材料由于其结构的多样性,导致其性能的多样化,在环保,能源,制造业,国防等领域得到了广泛的应用
纳米碳管就是其中一种新型碳材料,也是纳米材料,纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料,
一:纳米碳管的发现 1991年日本科学家饭岛(Iijima)发现了一种针状的管形碳单质——碳纳米管。碳纳米管,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
二:纳米碳管的结构
图一
纳米碳管中的碳原子以sp2杂化,但是由于存在一定曲率所以其中也有一小部分碳属sp3杂化。在不考虑手性的情况下, 单壁纳米碳管可以由两个参量完全确定(直径和螺旋角或两个表示石墨烯的指数(n,m)或者螺旋向量Cn和垂直向量T〕,
图二
理想纳米碳管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体。石墨烯的片层一般可以从一层到上百层,含有一层石墨烯片层的称为单壁纳米碳管,多于一层的则称为多壁纳米碳管,如图二。单壁纳米碳管的直径一般为1-6nm,最小直径大约为0.5nm,与C36分子的直径相当, 但单壁纳米碳管的直径大于6nm以后特别不稳定,会发生单壁纳米碳管管的塌陷,长度则可达几百纳米到几个微米。因为单壁纳米碳管的最小直径与富勒烯分子类似,故也有人称其为巴基管或富勒管。 多壁纳米碳管的层间距约为0.34纳米,直径在几个纳米到几十纳米,长度一般在微米量级,最长者可达数毫米。由于纳米碳管具有较大的长径比,所以可以把其看成为准一维纳米材料。 三:纳米碳管的性质
纳米碳管的性质与其结构有密切相关性
1、电学性质
由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同,所以具有很好的电学性能。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。
2、力学性能
墨烯平面中碳碳键是自然界中已知的最强的化学键之一,石墨中C11的弹性常数达1060GPa。纳米碳管的结构是比较完整的石墨烯网格,而且由于缺陷很少, 单壁纳米碳管的强度应该接近于碳碳键强度。理论计算表明单壁纳米碳管的杨氏模量与其直径以及螺旋角无关,杨氏模量和剪切模量与金刚石相当,强度可以达到1.0TPa以上。其强度大约为钢的100倍,而密度却只有钢的1/6。所以纳米碳管具有优
异的力学性能
3、热学性能
一维管具有非常大的长径比,因而大量热是沿着长度方向传递
的,通过合适的取向,这种管子可以合成高各向异性材料。虽然在管轴平行方向的热交换性能很高,但在其垂直方向的热交换性能较低。纳米管的横向尺寸比多数在室温至150℃电介质的品格振动波长大一个量级,这使得弥散的纳米管在散布声子界面的形成中是有效的,同时降低了导热性能。适当排列碳纳米管可得到非常高的各向异性热传导材料。
4、储氢
碳纳米管的中空结构,以及较石墨(0.335nm)略大的层间距
(0.343nm),使其有更加优良的储氢性能,氢可以以固体形式填充到单壁纳米碳管的管体内部以及单壁纳米碳管束之间的孔隙,因此单壁纳米碳管具有极佳的储氢能力。推测单壁纳米碳管的储氢量可达10%(重量比, 因此可以用作储氢材料)
四:纳米碳管的制备
纳米碳管主要制备法方法有电弧法,激光蒸发法,化学气相淀积法,固相热解法、辉光放电法和气体燃烧法等以及聚合反应合成法。电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。电弧法与
Wolfgang-Kratschmer法制备富勒烯类似,在惰性气体气氛中,两根石墨电极直流放电,阴极上产生纳米碳管。使用这一方法制备碳纳米管技术上比较简单,但是生成的碳纳米管与C60等产物混杂在一起,很难得到纯度较高的碳纳米管,并且得到的往往都是多层碳纳米管,而实际研究中人们往往需要的是单层的碳纳米管。此外该方法反应消耗能量太大。激光刻蚀法采用激光刻蚀高温炉中的石墨靶子,纳米碳管就存在于惰性气体夹带的石墨蒸发产物中。近年来发展出了化学气相淀积法,或称为碳氢气体热解法,在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷。这种方法是让气态烃通过附着有催化剂微粒的模板,在
800~1200度的条件下,气态烃可以分解生成碳纳米管。这种方法突出的优点是残余反应物为气体,可以离开反应体系,得到纯度比较高的碳纳米管,同时温度亦不需要很高,相对而言节省了能量。但是制得的碳纳米管管径不整齐,形状不规则,并且在制备过程中必须要用到催化剂。
五:纳米碳管的应用
1、碳纳米管可作为复合材料
由于碳纳米管具有优良的电学和力学性能,被认为是复合材料的理想添加相。碳纳米管作为加强相和导电相,在纳米复合材料领域有着巨大的应用潜力
碳纳米管聚合物复合材料是第一个已得到工业应用的碳纳米管复合材料。由于添加了电导性能优异的碳纳米管,使得绝缘的聚合物获得优良的导电性能。
2、碳纳米管可作为电化学器件
碳纳米管具有非常高的表面积比,根据直径和分散程度
2不同,碳纳米管的比表面积在250~3000m/g,加之优异的导
电性能和良好的机械性能,碳纳米管是电化学领域所需的理想材料,是用做制造电化学双层电容器超级电容器电极的理想材料
4 作为氢气存储的材料
碳纳米管储氢是具有很大发展潜力的应用领域之一。室温常压,下约三分之二的氢能从碳纳米管释放出来,而且可被反复使用。碳纳米管储氢材料在燃料电池系统中用于储氢气存储,对电动汽车的发展具有非常重要的意义。可取代现用高压氢气罐,提高电动汽车安全性。研究室碳纳米管储氢以取得许多研究成果。分别获得了单壁碳纳米管4.2 w/%,锂掺杂多壁碳纳米管20 w/ %,钾掺杂多壁碳纳米管14 w/ % 的储氢效果
5 做催化剂载体
碳纳米管由于尺寸小比表面积大表面的键态和颗粒内部不同表面原子配位不全等导致表面的活性位置增加是理想的催化剂载体材料碳纳米管作为催化剂载体材料的研究主要集中在活性组分负载于碳纳米管的方法碳纳米管的电学性能对催化的影响碳纳米管独特的管腔结构对催化的影响碳纳米管的储氢性能对催化的影响等方面
6、场发射装置
学术和工业界对碳纳米管电子器件的研究主要集中在场发射管(电子枪),其主要可应用在场发射平板显示器(FED)、荧光灯、气体放电管和微波发生器。碳纳米管平板显示器是最具诱人应用潜力和商业价值的领域之一。
7、碳纳米管场效应晶体管
碳纳米管场效应晶体管的研制成功有力地证实了碳纳米管作为硅芯片继承者的可行性。尤其是目前,在科学家再也无法通过缩小硅芯片的尺寸来提高芯片速度的情况下,纳米管的作用将更为突出。 六:纳米碳管的最新研究进展
(1)纳米碳管可制新型太阳能电池
美国科学家利用纳米碳管制作出新型太阳能电池,在吸收等量的光子下能产生更多的光电流,其效能将优于现行的光伏电池。他们证明纳米碳管做成的光二极管(photodiode)吸收一个光子能产生多组电子 空穴对(electron- holepair),不像传统的光二极管只能产生一组。康乃尔大学参与这项研究的Nathan Gabor表示,这项技术若能应用于大尺寸的太阳能电池,势必能突破以往转换效率的限制
(2)纳米碳管电池 电量高于锂电池五倍
美国麻省理工学院(MIT)的研究人员开发出一种利用正极涂层碳纳米管构建新特性锂离子电容和电池的方法,该技术在含氧化学物质中加入纳米碳管涂层,并与锂元素一起大面积产生电流。
这种电池构造能够存储大约现有锂电池的5倍电量,并且还能提高放电能力,取得最佳性能,今后的电动汽车将有望采用这种大容量,高效率的产品。
(3)发现纳米碳管独特的催化性能
组装到纳米碳管管道内的金属铑(Rh)和锰(Mn)纳米粒子,作为合成气(一氧化碳和氢的混合物)转化制乙醇反应过程的催化剂,显示出了非常独特的催化性能。大连催化基础国家重点实验室包信和研究小组的研究结果表明,组装在内径为4~8纳米的多壁碳管内的Rh-Mn催化剂,催化生成碳二含氧化合物(主要为乙醇)的产率明显高于直接担载在相同碳管外壁的催化剂,当添加金属铁和锂等助剂后,每小
时在每摩尔铑催化剂上生成的乙醇量高达 84 摩尔。综合分析大量的表征结果提出,这类复合催化剂上所表现出的独特催化性能为纳米碳管和金属纳米粒子体系的“协同束缚效应”所致。美国斯坦福大学Zare教授称赞该项工作为“一个非常重要的发现,应该具有普遍意义和广泛应用”,英国《自然•材料》(Nature Materials)评委评价这是一项“对后续研究具有很强激发潜力”的重要工作。
参考文献 http://blog.sina.com.cn/s/blog_63ceef780100gowp.html http://www.nsfc.gov.cn/Portal0/InfoModule_375/17138.htm
纳米碳管可制新型太阳能电池(刘燕)
碳纳米管及其应用研究(成尔军)
碳纳米管的应用