碳纳米管(CNTs)

班级：材料化学班 姓名：唐建 学号：20110513427

摘要：1991年日本NEC公司的饭岛纯雄(Sumio Iijima)首次利用电子显微镜观察到中空碳纤维，直径一般在几纳米到几十个纳米之间，长度为数微米，甚至毫米，称为“碳纳米管”。从此便引发了碳纳米管研究的热潮和近十几年来碳纳米管科学和技术的飞速发展。本文主要分为两部分：

1、对纳米材料及碳纳米管的相关知识进行介绍

2、于应用层次，讨论纳米材料及碳纳米管的应用前景

关键字：纳米材料概述 碳纳米管 热点及应用

1、引言

生物科学技术、信息科学技术、纳米科学技术是下一世纪内科学技术发展的主流。生物科学技术中对基因的认识，产生了转基因生物技术，可以治疗顽症，也可以创造出自然界不存在的生物；信息科学技术使人们可以坐在家中便知天下大事，因特网几乎可以改变人们的生活方式。而纳米科学技术作为二十一世纪的主导产业，又将给人们带来怎样天翻地覆的改变呢？„„ 2、理论知识

2.1 纳米材料概述

纳米材料:指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料。从材料的结构单元层次来说，它处于宏观物质和微观原子、分子之间的介观领域。在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。

纳米科学技术：研究在千万分之一米(10-8)到亿分之一米(10-9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工又被称为纳米技术。 2.2 纳米材料的特性

2.2.1纳米材料的体积效应

体积效应中的典型例子是久保理论。其是针对金属纳米粒子费米面附近电子能级状态分布而提出的。该理论把金属纳米粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸的简并电子态，并进一步假设它们的能级为准粒子态的不连续能级，并认为相邻电子能级间距δ和金属纳米粒子的直径d的关系为:δ=4EF/3N ∞V-1 ∞1/d3（其中N为一个金属纳米粒子的总导电电子数，V为纳米粒子的体积；EF为费米能级）。 随着纳米粒子的直径减小，能级间隔增大，电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽，金属导体将变为绝缘体。

2.2.2 .纳米材料的量子尺寸效应

当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为纳米材料的量子尺

寸效应。在纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米粒子的一系列特殊性质，如高的光学非线性，特异的催化和光催化性质等。当纳米粒子的尺寸与光波波长，德布罗意波长，超导态的相干长度或与磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常。

2.3 纳米材料的分类 2.2.1 按结构分类

零维纳米材料：量子点纳米粒子

一维纳米材料：如纳米线(量子线)、纳米管 二维纳米材料：薄层

纳米孔材料：如介孔分子筛 2.3.2 按组成分类

金属纳米材料 半导体纳米材料

有机和高分子纳米材料 复合纳米材料„„

2.4 碳纳米管概述

碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)是1991年才被发现的一种碳结构,它是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状\"纤维\"，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米。理想碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体，这样的材料很轻，但很结实。它的密度是钢的1/6，而强度却是钢的100倍。 2.5 碳纳米管历史与发展

人们公认的观点认为，纳米科学技术思想的来源是理查德·费曼，他被看作爱因斯坦之后最杰出的量子物理学家，在1959年的美国物理学年会上发表的一篇演讲：《底部有很大空间》。1991年，理论上预计了碳纳米管具有许多的奇特电学性能，几乎同时NEC公司S Iijima在高分辨电子显微镜下观察采用电弧法制备的富勒烯中发现了一种管状结构，经过研究表明它们是同轴多层富勒管，被称为多壁碳纳米管，随后NEC公司的TW Ebbesen和PM Ajayan找到大量制备多壁碳纳米管（MWNT）方法。1993年S. Iijima和IBM公司的研究小组同时报道观察到了单壁碳纳米管（SWNTs）。在SWNTs的物理性质的研究开始于1995年，Rice大学的Richard Smalley研究小组发现激光蒸发方法可以得到极高产率的SWNTs。此后，法国Montpellier大学的Bernier研究小组采用电弧法也可以得到高产率的SWNTs。1998年，中国科学院金属研究所成会明研究小组采用催化热解碳氢化合物的方法也得到较高产率的SWNTs。 2.6 碳纳米管的制法 2.6.1 综述

碳纳米管主要制备法方法有电弧法、热解法和激光刻蚀法。其中电弧法（与Wolfgang-Kratschmer法制备富勒烯类似）为在惰性气体气氛中，两根石墨电极直流放电，阴极上产生碳纳米管。热解法就是采用过渡金属作催化剂，700－1600K的条件下，通过碳氢化合物的分解得到碳纳米管。激光刻蚀法采用激光刻蚀高温炉中的石墨靶子，碳纳米管就存在于惰性气体夹带的石墨蒸发产物中。碳纳米管的形成过程游离态的碳原子或者碳原子团，发生

重新排布的过程。制备SWNT时，必须添加一定数量的催化剂，如过渡元素（Ni、Co、Fe等），或者镧系元素（Ld、Nd、La、Y等），或者它们的混合物。催化剂在SWNTs的生长过程中，能够降低弯曲应力，促进碳原子排列整齐并且阻止SWNTs两端的富勒烯分子的形成。得到的碳纳米管的直径和直径分布主要取决于制备方法、催化剂的种类、生长温度等反应条件。 2.6.2 碳纳米管的进一步加工--- CNTs的功能化 目的：提高CNT的溶解

度，有助于纯化，并引入新的 性能。

方式（与图中对照）： 共价功能化： A：端口功能化 B：侧壁功能化 非共价功能化： C：表面活化剂功能化 D：聚合物功能化 E：内腔功能化

2.7 碳纳米管的分类

根据碳纳米管管壁中碳原子层的数目被分为单壁和多壁碳纳米管。

2.7.1 单壁碳纳米管（SWNTs）

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(Single walled carbon nanotube, SWNT)。SWNT的直径一般为1－6 nm，最小直径大约为0.5 nm，与C36分子的直径相当, 但SWNT的直径大于6nm以后特别不稳定，会发生SWNT管的塌陷，长度则可达几百纳米到几个微米。因为SWNT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。

2.7.2 多壁碳纳米管（MWNT）

多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes, MWNTs）：含有多层石墨烯片。形状象个同轴电缆。其层数从2～50不等，层间距为0.34±0.01nm，与石墨层间距(0.34nm)相当。多壁管的典型直径和长度分别为2～30nm和0.1～50μm。 多壁管在开始形成的时候，层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷。

2.8 碳纳米管的物理性质 1、高的机械强度和弹性。

2、强度≥100倍的钢，密度≤1/6倍的钢

3、优良的导体和半导体特性（量子限域所致） 4、高的比表面积 5、强的吸附性能 6、优良的光学特性

7、发光强度随发射电流的增大而增强„„ 3、应用层次上的研究

3.1 纳米科技新热点、新发现及前景预测 材料和制备

在纳米尺度上，通过精确地控制尺寸和成分来合成材料单元，制备更轻、更强和可设计的材料，同时具有长寿命和低维修费用的特点。 微电子和计算机技术

纳米结构的微处理器的效率提高1兆倍，并实现太比特的存储器(提高1000倍)；研制集成纳米传感器系统。 环境和能源

发展绿色能源和环境处理技术，减少污染和恢复被破坏的环境.如把孔径lnm的纳孔材料作为催化剂的载体，成倍的提高太阳能电池的能量转换效率；将有序纳米孔材料和纳米膜材料(孔径l0~l00nm)用来消除水和空气中的污染等。 医学与健康

纳米级粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排斥反应；应用纳米传感器系统进行疾病的早期诊断。

生物技术

在纳米尺度上按照预定的对称性和排列制备具有生物活性的蛋白质、核糖核酸等，在纳米材料和器件中植入生物材料使其兼具生物功能和其他功能，生物仿生化学药品和生物可降解材料；动植物的基因改善和治疗，测定DNA的基因芯片等。

航天和航空

纳米器件在航空航天领域的应用，不仅是增加有效载荷，更重要的是使耗能指标成指数倍的降低。这方面的研究内容还包括：研制低能耗、抗辐照、高性能计算机；微型航天器用纳米集成的测试、控制电子设备；抗热障、耐磨损的纳米结构涂层材料。

由于纳米技术对经济社会的广泛渗透性，拥有纳米技术知识产权和广泛应用这些技术的国家，将在国家经济安全和国防安全方面处于有利地位。通过先进的纳米电子器件在信息控制方面的应用，将使在预警、导弹拦截等领域快速反应；通过纳米机械学，微小机器人的应用，将提高的灵活性和增加战斗的有效性；用纳米和微米机械设备控制，国家核防卫系统的性能将大幅度提高；通过纳米材料技术的应用，可使武器装备的耐腐蚀、吸波性和隐蔽性大大提高，可用于舰船、潜艇和战斗机等。 3.2 碳纳米管的潜在应用

碳纳米管具有奇异的物理化学性能，如独特的金属或半导体导电性、极高的机械强度、储氢能力、吸附能力和较强的微波吸收能力等，90 年代初一经发现即刻受到物理、化学和材料科学界以及高新技术产业部门的极大重视。应用研究表明，碳纳米管可用于多种高科技领域。如用它作为增强剂和导电剂可制造性能优良的汽车防护件；用它作催化剂载体可显著提高催化剂的活性和选择性；碳纳米管较强的微波吸收性能，使它可作为吸收剂制备材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料等。碳纳米管被认为是一种性能优异的新型功能材料和结构材料，世界各国均在制备和应用方面投入大量的研究开发力量，期望能占领该技术领域的 制高点。

3.2.1 碳纳米管电导性质的应用

碳纳米管的直径一般为几纳米至几十纳米，长度为几至几十微米。碳纳米管的直径和长度以及结构随不同的制备方法及条件的变化而不同，从而影响到碳纳米管的物理性质。如碳纳米管可以因直径或手性的不同而呈现很好的金属导电性(椅型碳管)或半导体性。而在小直径的纳米碳管中量子效应尤为明显，作为典型的一维量子输运材料，用具有金属性的单层碳纳米管制成的三极管在低温下表现出典型的库仑阻塞和量子电导效应。碳原子经过稍微诱导，即可自动排列成与原子尺度上的镀锌铁丝网圆筒相似的管状结构。这种单层碳纳米管是已知最坚固的物质之一，能像导线中的金属或硅片中的半导体那样导电，甚至能做到导电时没有电阻。根据这些性质碳纳米管既可作为最细的导线被用在纳米电子学器件中，也可以被制成新一代的量子器件。实验中已经发现SWNTs是真正的量子导线。与此同时，通过理论计算表明如果把一根具有金属性的SWNT和一根具有半导体性的SWNT联接，可以形成全碳的SWNT杂化结，它具有一定的半导体特性，可以用作纳米级热敏电阻和光激发或电压激发的电子开关，可能用于微电子器件，而解决当前以硅为基础的电子装置微型化过程的器件中发热。

3.2.2 碳纳米管容纳效应的应用 新型储氢介质：

对SWNT的吸氢过程研究发现，氢可能以固体形式填充到SWNT的管体内部以及SWNT束之间的孔隙，因此SWNT具有极佳的储氢能力。推测SWNT的储氢量可达10％（重量比）, 因此碳纳米管又可以用作储氢材料。氢分子吸附在纯SWNT、MWNT和碱金属掺杂的SWNT，极大的刺激了对纳米碳材料储氢性能的理论和实验的研究，寻找经济、安全的氢存储介质是氢燃料交通系统关键的部分。 贮存高密度甲烷

用加热和氧化的方法处理纳米碳材料，然后在这些圆锥形的碳材料侧面开许多１纳米左右的“小窗”，将甲烷通过小孔送到碳材料内部。进入内部的甲烷气体紧紧聚成１０个左右的气体团，密度接近液体密度。常温下，即使给甲烷气体加上高压，它的密度也只能达到液体的５％左右。 3.2.3 碳纳米管的燃烧特性应用 科学家发现碳纳米管燃烧特性：

美国一年轻研究人员在一次偶然中发现，普通的闪光能使高科技碳纤维发生燃烧。该效应给碳纤维又增加了一项非凡的特性——当它们暴露在普通闪光下的时候就会起火燃烧，并且这一特性可被应用于从火箭科学到纳米技术的多个领域中。南卡罗来纳州克莱姆森大学的物理学家David Carroll表示，人们能直接应用光导燃烧现象。举例来说，可以用它控制可燃物的燃烧。

Carroll说：“我预计它可能在固体推进剂中得到应用，例如航天飞机的固体火箭发动机。” 加州大学圣迭戈分校的材料化学家Michael Sailor指出，光敏纳米管可用来引发极其微小的“纳米爆炸”，以便完成微型遥控化学试验，从里到外杀死肿瘤，或者甚至用来驱动微型机器人。 3.2.4 碳纳米管的原子高表面率应用 作为催化剂载体的研究 ：

纳米材料比表面积大，表面原子比率大(约占总原子数的50％)，使体系的电子结构和晶体结构明显改变，表现出特殊的电子效应和表面效应。如气体通过碳纳米管的扩散速度为通过常规催化剂颗粒的上千倍，极大提高了催化剂的活性和选择性。碳纳米管作为纳米材料家族的新成员，其特殊的结构和表面特性、优异的储氢能力和金属及半导体导电性，使其在加氢、脱氢和择型催化等反应中具有很大的应用潜力。碳纳米管一旦在催化上获得应用，可望极大提高反应的活性和选择性，产生巨大的经济效益。 电双层电容的电极材料（多种性质的综合应用）

电双层电容是一种能量存储装置。除容量较小（一般为二次镍镉电池的1％）外，电双层电容的其它综合性能比二次电池要好得多，如可大电流充放电，几乎没有充放电过电压，循环寿命可达上万次，工作温度范围宽等。电双层电容在声频-视频设备、调谐器、电话机和传真机等通讯设备及各种家用电器中得到了广泛应用。作为电双层电容电极材料，要求材料结晶度高，导电性好，比表面积大，微孔大小集中在一定的范围内。而目前一般用多孔炭作电极材料，不但微孔分布宽(对存储能量有贡献的孔不到30％)，而且结晶度低，导电性差，导致容量小。没有合适的材料是电双层电容在更广阔范围内使用的一个重要原因。而碳纳米管比表面积大，结晶度高，导电性好，微孔大小可通过合成工艺加以控制，因而有望成为一种理想的电极材料。美国Hyperion催化国际有限公司报道，以催化裂解法制备的碳纳米管（管外径约8nm）为电极材料，以38wt%H2SO4为电解液，可获得大于113F/g的电容量，比目前多孔炭电容量高出2倍多。目前以碳纳米管为电极材料的电双层电容，其重量比功率已超过8kw／kg，使其有可能作为电动汽车的启动电源使用。

3.2.5 碳纳米管的光学性质

碳纳米管可被用来传输量子密码:

碳纳米管能够吸收与发散光波。利用碳纳米管材料的这一新特性，未来可望使量子密码技术以及单分子传感器变成现实。在室温条件下，碳纳米管能够吸收较窄频谱的光波，并能稳定地散发还原光波。这意味着碳纳米管材料具有传输、储存和恢复光波信号的新性能。利用强力聚焦的激光照射碳纳米管，研究人员发现，碳纳米管能够吸收光波，并以新的频谱发散光波，这些新频谱携带着反映碳纳米管材料物理特性的信号。进一步的研究表明，碳纳米管材料可以还原发散与原来所照射的频谱完全相同的光波。利用碳纳米管材料的这一新特性，未来可以通过碳纳米管材料来传输、储存和恢复以光信号传送的密码，应用于量子级密码传输技术；另外，也可制成能探测物质单个分子的纳米传感器，以帮助有关物质分子特性的科学研究。 碳纳米管的发光发热

法国里昂大学的研究人员最新发现，当电流通过碳纳米管时，碳纳米管呈现出一种可发光的特征，如果通过纳米管电流的电位足够的大，碳纳米管

一端的电子将脱离表面，飞到阳极，发生静电子发射现象。当温度达到1500K时，纳米管开始发光，所发出的是白炽光，而不是荧光。有关专家认为，上述科研成果能在许多方面取得实际应用。比如，可以用碳纳米管制成极好的发光、发热、发射电子的准点光源，制成平面显示器等。 碳纳米管中的激光：

日本科学家最近利用碳纳米管产生了９０００亿赫兹的高频脉冲激光，这种脉冲激光在观察超高速物理、化学现象，工业加工技术等领域将有广阔的应用前景。因为碳纳米管是由碳原子网卷成的空心圆柱，使得波长在1.2-2.0 um范围内的光能很好地被不同结构的单层碳纳米管吸收。单层碳纳米管在光波长为1.55 um时，具有“可饱和吸收效果”，即如果光的强度进一步增大，材料的光吸收率反而会下降。利用碳纳米管的这一特点，研究人员得到了频率为９０００亿赫兹的脉冲激光。并且碳纳米管比起其他可饱和吸收材料来，性质更加稳定，成本也较低。 碳纳米管作为微波吸收剂：

由于特殊的结构和介电性质，碳纳米管(CNTs)表现出较强的宽带微波吸收性能，它同时还具有重量轻、导电性可调变、高温抗氧化性能强和稳定性好等特点，是一种有前途的理想微波吸收剂，有可能用于材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。例如，可将其用于新型飞机的研制开发。 3.2.6 碳纳米管物理高强度的应用

石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。而碳纳米管的结构是比较完整的石墨烯网格，而且由于缺陷很少，SWNT的强度应该接近于碳碳键强度。理论计算表明：碳纳米管的强度比钢高100多倍，杨氏模量被估计为可高达5 TPa，这是目前可制备出的具有最高比强度的材料，而比重却只有钢的1/6；同时实验观察也表明碳纳米管还具有极高的韧性,十分柔软，这表明它们能够在大的应力下不发生脆性断裂。此外，它具有直径小、长径比大的特点，被认为是未来的“超级纤维”，复合材料中极好的加强材料，可用于高级复合材料的增强体或者形成轻质、高强的绳索，可能用于宇宙飞船及其它高技术领域。另外，用这样轻而柔软、又非常结实的材料做防弹背心是最好不过的了。 4、结语

信息、生命和纳米三大科学技术是21世纪初科学技术发展的主流，在这些领域的竞争十分激烈。而纳米科技将成为２１世纪的主导技术。其中，纳米材料充当着重要角色.，而碳纳米管被誉为“纳米材料之王”，其重要性可见一斑。

未来的碳纳米管领域中有太多的未知数，等待着我们去发现，去探索„

参考文献：1、碳纳米管（CNTs）—— “新时代的宠儿”，赵婧 李坤桦 宋杨 刘

涛，北京大学化学与分子工程学院，2006级普化论文

2、碳纳米管简介，潘春旭，武汉大学物理科学与技术学院

3、碳纳米管的功能化研究进展，肖素芳 王宗花 罗，分析化学

评述与进展，第 2期261～266