單壁碳納米管

序號(hào)講座時(shí)間講座名稱主講人12014-3-2714:30-15:35單壁碳納米管的結(jié)構(gòu)控制生長方法研究張錦22014-3-3116:00-16:50sps技術(shù)與稀土功能材料張久興32014-4-2515:00-16:20最高引用高分子論文評(píng)析江明42014-5-2215:00-16:06Infraredtransmittingglassesfornightvisionandenergyapplications章向華52014-06-0514:30-15:50MethodologiestowardEfficientSynthesesofChiralNaturalProductsandDrugs湯文軍、馬利單壁碳納米管劉文菊①中山大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院,廣東廣州510275,）摘要單壁碳納米管具有多種優(yōu)良性能，在多個(gè)領(lǐng)域均有廣闊應(yīng)用前景，可使用多種方法制備，如電弧放電法、催化裂解法、激光蒸發(fā)法、熱解聚合物法、水熱合成法和電解法等方法。關(guān)鍵詞單壁碳納米管合成方法應(yīng)用引言碳納米管（CarbonNanotubes，CNTs），又名巴基管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料，其特征是：徑向尺寸為納米量級(jí)，軸向尺寸為微米量級(jí)，管子兩端基本上都封口。碳納米管主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管。層與層之間保持固定的距離，約0.34nm，直徑一般為2~20nm。并且根據(jù)碳六邊形沿軸向的不同取向可以將其分成鋸齒形、扶手椅型和螺旋型三種。其中螺旋型的碳納米管具有手性，而鋸齒形和扶手椅型碳納米管沒有手性。碳納米管可看作是由石墨層卷曲而成的無縫管，當(dāng)石墨層為單層時(shí)，對(duì)應(yīng)的為單壁碳納米管（SingleWalledCarbonNanotubes，SWNTs）；當(dāng)石墨層為兩層或多層時(shí)，則分別對(duì)應(yīng)雙壁或多壁碳納米管。[1]碳納米管的強(qiáng)度和彈性模量極高、熱穩(wěn)定性極好，可制造高強(qiáng)度、穩(wěn)定性好的輕型復(fù)合增強(qiáng)性功能材料，具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。而單壁碳納米管最能體現(xiàn)碳納米管的性質(zhì)特點(diǎn)，單壁碳納米管的發(fā)現(xiàn)與研究已經(jīng)被Science評(píng)為1997年人類十大發(fā)現(xiàn)之一，足可證明單壁碳納米管的巨大潛力。圖1由石墨烯片層卷曲成SWNT的示意圖[1]SWNT的合成方法單壁碳納米管的制備方法眾多，其中最為成熟、應(yīng)用最多的方法主要包括電弧放電法和催化裂解法。除以上兩種方法以外，激光蒸發(fā)法、熱解聚合物法、水熱合成法和電解法等方法也被用于單壁碳納米管的制備。[2]電弧放電法電弧放電法是制備碳納米管的傳統(tǒng)方法。1991年Ando教授用電弧放電法制得電極，Iimija教授在制得的電極中發(fā)現(xiàn)了碳納米管[3]。其一般工藝通常是在惰性氣氛中，在相距幾毫米的石墨電極之間，在強(qiáng)電流的作用下產(chǎn)生電弧放電，陽極不斷消耗，在陰極表面形成沉積物。同時(shí)對(duì)陰極進(jìn)行水冷卻處理，以防止碳管出現(xiàn)過多的缺陷影響碳納米管的質(zhì)量。電弧放電法制備的碳納米管尺寸小，而且由于陰極沉積物沉積時(shí)的溫度太高（電弧能產(chǎn)生4000K高溫），導(dǎo)致所制備的碳納米管缺陷多，且與其他的副產(chǎn)物如無定形碳、納米微粒等雜質(zhì)燒結(jié)于一體，對(duì)隨后的分離和提純不利。王淼等人[4]用單根給定長度的含有金屬的復(fù)合石墨陽極與陰極成一定角度在高溫氦電弧中放電數(shù)分鐘，即可獲得1.0g以上含有60%左右的單壁碳納米管的生成物，反復(fù)實(shí)驗(yàn)及電子顯微鏡分析表明，利用該方法和工藝條件，可以獲得高產(chǎn)量、高純度單壁碳納米管，這為高純單壁碳納米管的規(guī)?；a(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。王新慶等人[5]鎢以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石墨棒作為放電陰極，采取循環(huán)式往返放電法，同時(shí)利用高分辨透射電子顯微鏡及拉曼光譜對(duì)制備的單壁納米碳管進(jìn)行了觀察、表征，實(shí)驗(yàn)證明：以鎢為陰極的循環(huán)電弧放電法可以初步實(shí)現(xiàn)單壁納米碳管的高效率、大批量生產(chǎn)。催化裂解法催化裂解法是目前應(yīng)用廣泛、最易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的一種制備碳納米管的方法。其一般工藝是在高溫下，含碳源的氣體如乙炔、丙烯等流經(jīng)金屬催化劑（鐵、鈷、鎳等）表面時(shí)熱分解出碳原子，碳原子在金屬微粒中擴(kuò)散，最終在催化劑微粒另一面釋放出來，形成碳納米管。催化裂解法制得的碳納米管產(chǎn)量高，但相對(duì)電弧放電法質(zhì)量較差，管身雖長，但卷曲不直，管徑不均勻，石墨化程度較低，缺陷較多。韋進(jìn)全等人[6]采用浮動(dòng)催化裂解法制備單壁碳納米管，以苯為碳源、二茂鐵為催化劑、氫氣為載氣、噻吩為添加劑。實(shí)驗(yàn)后采用掃描電鏡、透射電鏡、高分辨透射電鏡以及拉曼譜等方法對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)估，實(shí)驗(yàn)表明浮動(dòng)催化裂解法制備出來的單壁碳納米管直徑約為1nm，直徑分布較均勻，可以半連續(xù)、低成本地生產(chǎn)大量單壁碳納米管。朱宏偉等人[7]使用立式浮動(dòng)催化裂解法制備單壁碳納米管，以正己烷為碳源，實(shí)現(xiàn)了單層碳納米管的低成本大批量連續(xù)制備，并使用Raman光譜和電子顯微鏡對(duì)膜狀、繩狀及網(wǎng)狀產(chǎn)物的直徑分布、結(jié)構(gòu)及純度進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該方法制備的單層碳納米管束定向性良好，直徑分布較寬（0.7~2.0nm），純度可達(dá)80%以上。SWNT的應(yīng)用碳納米管具有極高的強(qiáng)度和彈性、優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，理論上單壁碳納米管的拉伸強(qiáng)度為鋼的100倍，而質(zhì)量只有鋼的16.7%，延伸率可達(dá)20%，是一種絕佳的纖維材料，在電子領(lǐng)域、儲(chǔ)氫和復(fù)合材料方面均有極大的應(yīng)用潛力。電子領(lǐng)域由于單壁碳納米管的頂端可做的極為尖銳，并可在低激發(fā)電場(chǎng)下發(fā)射電子，加之單壁碳納米管的碳碳鍵作用十分強(qiáng)，可使單壁碳納米管使用時(shí)間延長，因此單壁碳納米管可用于制作輕薄省電的平面顯示裝置。另外，單壁碳納米管還可用于制作傳感器、大容量超級(jí)電容器、半導(dǎo)體器件等電子器件。儲(chǔ)氫單壁碳納米管具有中空的管道結(jié)構(gòu)，可用于儲(chǔ)存氫氣。碳納米管的碳原子存在一個(gè)懸掛鍵，可吸附氣體分子形成共價(jià)鍵達(dá)到飽和，具有高儲(chǔ)氫量、低質(zhì)量密度和高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合材料單壁碳納米管具有優(yōu)異的熱力學(xué)性質(zhì)，通過復(fù)合可以改善其他材料的性能，在金屬、高分子、陶瓷等材料中加入一定量的碳納米管，不僅可以明顯地提高材料的熱力學(xué)性質(zhì)，而且可以改善基體的電學(xué)、磁學(xué)性能。結(jié)語單壁碳納米管具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，可用電弧放電法、催化裂解法、激光蒸發(fā)法、熱解聚合物法、水熱合成法和電解法等方法進(jìn)行制備，在多個(gè)領(lǐng)域如電子材料、儲(chǔ)氫材料、復(fù)合材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)李盼,張錦.單壁碳納米管的結(jié)構(gòu)控制生長.化學(xué)進(jìn)展,2013,25(2/3):168-177.王世敏,許祖勛,傅晶.納米材料制備技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.14.IijimaS.Helicalmicrotubulesofgraphiticcarbon[J].Nature,1991,354:56-58.王淼,李振華.高純單壁碳納米管大量制備的新方法和工藝條件.物理學(xué)報(bào),2001,4(50):790-792.王新慶,王淼,李振華,劉子陽.高效循環(huán)電弧放電法制備大量單壁碳納米管的研究.物理學(xué)報(bào),2004,