碳納米管的性能綜述

碳納米管的性能綜述摘要碳納米管因?yàn)樾阅芏喾矫娌⑶覒?yīng)用廣泛而受到很多研究員的關(guān)注，本文將對(duì)碳納米管的幾個(gè)性能的研究進(jìn)行綜述，包括碳納米管的碳納米管/FeS類Fenton催化劑催化性能、納米連接性能、碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料風(fēng)機(jī)葉片性能、碳納米管穩(wěn)定性能分析、碳納米管機(jī)械強(qiáng)度、碳納米管吸附特性的綜述。關(guān)鍵字：碳納米管性能 催化劑催化性能 連接性能穩(wěn)定性能纖維的性能吸附特性碳納米管/FeS類Fenton催化劑催化性能楊明軒等以浮動(dòng)催化熱分解法制備碳納米管（CNTs），采用氧化-還原-硫化的方法制備了CNTs/FeS催化劑，采用X射線衍射（XRD）透射電子顯微鏡（TEM）和熱重（TG）分析等技術(shù)對(duì)催化劑進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征。將CNTs/FeS作為類Fenton催化劑用于水中環(huán)丙沙星的去除，研究了降解過(guò)程中H2O2濃度CNTs/FeS催化劑的投加量環(huán)丙沙星濃度及pH等因素對(duì)催化降解性能的影響。結(jié)果表明，CNTs/FeS類Fenton催化反應(yīng)在H2O2濃度為20mmol/L和CNTs/FeS催化劑的投加量為10mg的條件下具有最優(yōu)的降解效果，其催化反應(yīng)過(guò)程符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，且具有更加寬泛的pH適應(yīng)范圍（pH=3?8），同時(shí)，CNTs/FeS類Fenton催化劑在使用壽命方面也具有一定的優(yōu)勢(shì).結(jié)論是采用碳納米管原始樣品制備了CNTs/FeS類Fenton催化劑，并應(yīng)用于環(huán)丙沙星的催化降解反應(yīng)中，在pH=3?8范圍內(nèi)可保持較高去除率（可達(dá)89%）;當(dāng)H2O2濃度為20mmol/L時(shí)，去除率最高（可達(dá)90%）;CNTs/FeS催化劑催化降解環(huán)丙沙星反應(yīng)過(guò)程符合表觀一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。CNTs/FeS類Fenton催化反應(yīng)在固液比1:2的情況下，循環(huán)使用4次后仍然保持較高的催化降解效率。碳納米管的連接性能2002年，Derycke等采用恒定的電流施加于Au電極結(jié)果表明，在焦耳熱作用下，單壁碳納米管（SWCNTs）與金電極接觸處的氧氣等吸附物發(fā)生脫附，并獲得了較低的接觸電阻。2006年，Chen等提出一種新穎的超聲納米焊接技術(shù)該技術(shù)使用超高頻微幅振動(dòng)的壓頭，成功地將CNTs壓焊到金屬電極上，形成可靠的電接觸結(jié)果表明，焊接后的結(jié)構(gòu)具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和較低的接觸電阻采用這種超聲納米焊接技術(shù)，能極大地改善基于CNTs的場(chǎng)效應(yīng)晶體管性能。目前的納米連接技術(shù)主要包括局部焦耳熱法高溫退火法電子束焊接法超聲納米焊接和原子力顯微鏡操縱法。2011年，Karita等研究了多壁碳納米管（MWCNTs）和金電極間的電接觸，并在接觸處施加電流結(jié)果表明，當(dāng)電流密度達(dá)到108A/cm2時(shí)，金表面沿著MWCNTs端開始熔化當(dāng)電流密度提高2倍時(shí)，觀察到接觸區(qū)域的金表面結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著性改變，從而減少了接觸阻抗該研究組還針對(duì)開口和封口CNTs與金電極的納米連接進(jìn)行了研究發(fā)現(xiàn)，在與Au電極接觸的區(qū)域中，采用開口CNTs所獲單位面積電導(dǎo)率約為封口CNTs電導(dǎo)率的4倍但同時(shí)觀測(cè)到，采用局部焦耳熱法時(shí)，所產(chǎn)生的大電流引起連接區(qū)域材料過(guò)度熔化及表面形貌的改變，進(jìn)而影響器件的性能。碳納米管的穩(wěn)定性能梁峰等應(yīng)用非局部黏彈性?shī)A層梁模型分析雙參數(shù)彈性介質(zhì)中輸送脈動(dòng)流碳納米管的穩(wěn)定性。新模型中同時(shí)考慮了由管道內(nèi)、外壁上的薄表面層引起的表面彈性效應(yīng)和表面殘余應(yīng)力，經(jīng)典的歐拉梁模型因此通過(guò)引入非局部參數(shù)和表面參數(shù)得到了改進(jìn)。用平均法對(duì)其控制方程進(jìn)行求解，得到了管道穩(wěn)定性區(qū)域。數(shù)值算例揭示了納米材料的非局部效應(yīng)、表面效應(yīng)及兩個(gè)彈性介質(zhì)參數(shù)對(duì)管道固有頻率、臨界流速和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的復(fù)雜影響，結(jié)論可為納米流體機(jī)械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和振動(dòng)分析提供理論基礎(chǔ)。結(jié)論(1)非局部效應(yīng)會(huì)降低系統(tǒng)的固有頻率和臨界流速，而表面效應(yīng)卻會(huì)使其值升高，而且還會(huì)降低非局部效應(yīng)的影響。(2)非局部效應(yīng)和表面效應(yīng)均可以提高輸流碳納米管系統(tǒng)的參數(shù)共振穩(wěn)定性，而表面效應(yīng)又會(huì)降低非局部效應(yīng)和流速對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。(3)提高納米管外部雙參數(shù)彈性介質(zhì)的兩個(gè)參數(shù)值均可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但剪切剛度對(duì)穩(wěn)定性的影響要遠(yuǎn)大于線性剛度，應(yīng)重點(diǎn)考慮。雙參數(shù)模型比傳統(tǒng)Winkler模型更接近實(shí)際彈性介質(zhì)，其計(jì)算結(jié)果更加精確可靠。碳納米管纖維的性能CNTs具有獨(dú)特的力學(xué)性質(zhì)，理論計(jì)算表明,CNTs的拉伸強(qiáng)度比鋼高100倍,由CNTs懸臂梁振動(dòng)測(cè)量結(jié)果可以估計(jì)出它們的楊氏模量高達(dá)1TPa左右，延伸率達(dá)百分之幾，并具有良好的可彎曲性，SWNTs可承受扭轉(zhuǎn)形變并可彎成小圓環(huán),應(yīng)力卸除后可完全恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài),壓力不會(huì)導(dǎo)致CNTs的斷裂。優(yōu)良的力學(xué)性能使得CNTs在增強(qiáng)復(fù)合材料方面具有廣闊的應(yīng)用前景。聚苯并咪唑(PBI)超細(xì)纖維，直徑大約300nm,具有很高的比表面積。加入15wt%的PBI碳納米管纖維制成的環(huán)氧化合物斷裂韌度和模量都顯著高于加入17wt%PBI碳納米管纖維的環(huán)氧化合物。加入片狀碳納米管纖維增強(qiáng)體的丁苯橡膠(SBR)，其楊氏模量和剪切強(qiáng)度都明顯高于純的丁苯橡膠。電學(xué)和磁學(xué)性能從CNT的能帶結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn),在金屬性SWNT的費(fèi)米能級(jí)附近有兩個(gè)互相交叉的能帶能帶中有2個(gè)通道、4個(gè)電子在輸運(yùn)過(guò)程中起作用，因此在無(wú)電子散射和理想接觸條件下，SWNT具有兩個(gè)單位量子電導(dǎo)，即每個(gè)通道產(chǎn)生一個(gè)量子單位電導(dǎo)。CNT是典型的量子導(dǎo)線，其電導(dǎo)是不連續(xù)的。CNT在輸運(yùn)過(guò)程中可發(fā)生輸運(yùn)過(guò)程的電子態(tài)優(yōu)先、運(yùn)過(guò)程具有彈道傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。電子在CNT中進(jìn)行彈道式輸運(yùn)時(shí)，不與雜質(zhì)或聲子發(fā)生任何散射，電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中無(wú)能量散耗。由于CNTs優(yōu)異的導(dǎo)電性，在PMMA中摻入CNTs后，其導(dǎo)電性明顯得到改善，加入5wt%的CNTs可使PMMA的體積電阻率降低3個(gè)數(shù)量級(jí)，表面電阻率降低4個(gè)數(shù)量級(jí)。目前合成的CNTs的電導(dǎo)率普遍高于CNTs與高聚物混合制備的復(fù)合材料,而直接合成的CNFs電導(dǎo)率則高于CNTs。劉家安等采用原位聚合法合成出具有較高導(dǎo)電性的聚苯胺(PANi)/CNTs復(fù)合材料,研究表明不同的CNTs添加量對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)電性的影響，其電導(dǎo)率比PANi提高了1?2個(gè)數(shù)量級(jí)oAngrews制備的PVA/CNTs復(fù)合材料的電導(dǎo)率為10/(Q-cm)[14],Zhu研究小組制備的SWNTs束的電導(dǎo)率高達(dá)(1.4?2)X105/(Q-cm),而Li合成的CNFs的電導(dǎo)率為8.3X105/(Q-cm)[10]°CNT具有負(fù)磁阻,當(dāng)磁場(chǎng)垂直于碳管軸向時(shí),可形成穿過(guò)導(dǎo)帶和的Landu帶，增加了費(fèi)米能級(jí)附近的電子態(tài)密度，而平行磁場(chǎng)時(shí)，在費(fèi)米能級(jí)附近的電子帶結(jié)構(gòu)以磁通為函數(shù)出現(xiàn)周期性變化,出現(xiàn)Aharonov2Bohm(簡(jiǎn)稱A2B)效應(yīng)。在CNT/高聚物中還沒(méi)有關(guān)于A2B效應(yīng)的報(bào)道。4.3 高吸附性CNTs和CNFs直徑為納米級(jí)，長(zhǎng)徑比大，具有高吸附性，可以吸附大量的氣體作為儲(chǔ)氫、儲(chǔ)能材料。Terrones等[34]利用熱解法制備出直徑為15?80nm的竹節(jié)形CNx碳納米管，管長(zhǎng)度小于100um,通過(guò)高分辨率電子能耗光譜線性掃描和元素映象研究表明,N2被密封在中空管中,CNx納米管可被應(yīng)用于氣體儲(chǔ)存型織物。4.4拉曼活性SWNT具有兩個(gè)特征振動(dòng)模式：呼吸振動(dòng)模式和拉伸振動(dòng)模式。呼吸振動(dòng)模式出現(xiàn)在低頻段(波數(shù)100?300cm-1),它與SWNT的結(jié)構(gòu)相關(guān)；拉伸振動(dòng)模式位于1580cm-1,與SWNT的結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)，由于在布里淵區(qū)發(fā)生折疊而產(chǎn)生與尺寸相關(guān)的區(qū)域折疊效應(yīng)使其分裂成多個(gè)峰。目前,許多研究小組都采用拉曼光譜的分析方法研究CNTs以及CNT/高聚物的結(jié)構(gòu)性能。Wang等利用拉曼光譜的變化來(lái)表明CNT的增長(zhǎng)過(guò)程,Li利用拉曼光譜表明熱處理過(guò)程對(duì)CNT的影響。1^通noz合成了PEI/SWNT復(fù)合材料，利用拉曼光譜表明部分PEI插入到SWNT的管。碳納米管的吸附特性胡栩豪等針對(duì)多壁碳納米管(MWCNTs)對(duì)敵草隆的吸附特性進(jìn)行了研究，并考察了接觸時(shí)間、溫度和初始pH對(duì)敵草隆吸附效果的影響。碳納米管對(duì)敵草隆的吸附在1h內(nèi)可達(dá)到表觀平衡，且其吸附動(dòng)力學(xué)曲線符合準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。Polanyi-Manes方程可以準(zhǔn)確的描述多壁碳納米管對(duì)敵草隆的吸附行為。通過(guò)熱力學(xué)研究可知，多壁碳納米管對(duì)敵草隆的吸附過(guò)程是自發(fā)的放熱過(guò)程。多壁碳納米管的氧化處理不但可以增加碳納米管的比表面積和孔容，而且可以在其表面產(chǎn)生多種親水的含氧官能團(tuán)。多壁碳納米管對(duì)敵草隆的吸附受pH的影響，在中性和堿性條件下現(xiàn)出較強(qiáng)的吸附能力。結(jié)論隨著pH的升高，未經(jīng)處理的和經(jīng)氧化處理的碳納米管對(duì)敵草隆的吸附量均有提高，堿性pH比酸性pH時(shí)去除率更高；駐G0小于零，即反應(yīng)為自發(fā)吸附反應(yīng)；多壁碳納米管對(duì)水中敵草隆的吸附動(dòng)力學(xué)過(guò)程可采用準(zhǔn)二級(jí)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行描述；多壁碳納米管對(duì)中敵草隆的吸附能力隨溫度升高而降低，且Polanyi-Manes方程更適合描述敵草隆在多壁碳納米管上的吸附過(guò)程。參考文獻(xiàn)：楊明軒，馬杰，孫怡然，熊新竹，李晨璐，李強(qiáng)，陳君紅碳納米管/FeS類Fenton催化劑的制備及催化性能[J].高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào),2014,35:570-575VDerycke,RMartel,JAppenzelleretal.Appl.Phys.Lett.2002，80(15):2773?2775.KAsaka,MKarita,YSaito.Appl.Surf.Sci.2011，257(7):2850