碳纳米管及其应用
主要内容
1. 碳纳米管的发现 2. 碳纳米管的结构 3. 碳纳米管结构的表征 4. 碳纳米管的生产方法 5. 独特性质 6. 应用前景
一、碳纳米管的发现
碳纳米管（CNTs）
1991年，日本科学家饭岛（Iijima）发现，在《Nature》 发表文章《Helical microtubules of graphitic carbon》公布了他的 发现成果，这是碳的又一同素异型体。
四、碳纳米管的生产方法 4、燃烧火焰法
利用液体（乙醇、甲醇等）、气体（乙炔、乙烯、甲烷等） 和固体（煤炭、木炭）等产生火焰分解其碳-氢化合物获得游历 碳原子，为合成碳纳米管提供碳源；然后将基板材料做适当处 理，最后将基板的一面向下，面向火焰放入火焰中，燃烧一段 时间后取出。基板上的棕褐（黑）色既是碳纳米管或碳纳米纤 维。
多壁碳纳米管 MWNTs
由一层石墨烯片组成。单壁 管典型的直径和长度分别为 0.75～3nm和1～50μ m。又称 富勒管(Fullerenes tubes)。
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。
碳纳米管的抗拉强度达到50～200GPa, 是钢的100倍,密度却只有钢的1/6，至少比常 规石墨纤维高一个数量级。它是最强的纤维， 在强度与重量之比方面，这种纤维是最理想的。
五、碳纳米管的独特性质 2、电学性能
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。当CNTs的管径大于6mm时，导电性能下降； 当管径小于6mm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的 一维量子导线。
产生碳纳米管或碳纳米纤维的过程主要决定于基板的性质。 基板的选择和处理、燃料的选择等是本方法的关键技术。
优点有：合成过程无需真空、保护气氛；无需催化剂；可以 在大的表面上合成，特别适合于在一个平面上形成一层均匀的碳 纳米管或碳纳米纤维薄膜； 成本较低，对环境的污染也非常小。 可以实现大批量合成。
五、碳纳米管的独特性质 1、力学性能
六、碳纳米管的应用前景 2、锂离子电池
碳纳米管的层间距为0.34nm,略大于石墨的层间距0.335nm,这有利于 Li+的嵌入与迁出,它特殊的圆筒状构型不仅可使Li+从外壁和内壁两方面嵌 入,又可防止因溶剂化Li+嵌入引起的石墨层剥离而造成负极材料的损坏。碳 纳米管掺杂石墨时可提高石墨负极的导电性,消除极化。 在锂离子电池中加入碳纳米管,也可有效提高电池的储氢能力,从而大 大提高锂离子电池的性能。根据实验,多壁碳纳米管锂电池放电能力达到 385 mA·h/g,单壁管则高达640mA·h/g,而石墨的理论放电极限为372 mA·h/g。
六、碳纳米管的应用前景 3、碳纳米管复合材料
基于纳米碳管的优良力学性能可将其作为结构复合材料的 增强剂。研究表明，环氧树脂和纳米碳管之间可形成数百MPa 的界面强度。 除做结构复合材料的增强剂外，纳米碳管还可做为功能增 强剂填充到聚合物中，提高其导电性、散热能力等如：在共轭 发光聚合物中添加纳米碳管后，不但其导电率大大提高，强度 也得到了改善。同时，由于纳米碳管在纳米尺度散热，避免了 局部形成的热积累，可防止共轭聚合物中链的断裂，从而抑制 聚合物的光褪色作用。
六、碳纳米管的应用前景 4、电磁干扰屏蔽材料及隐形材料
碳纳米管是一种有前途的理想微波吸收剂,可用于隐形材料、电 磁屏蔽材料或暗室吸波材料。 碳纳米管对红外和电磁波有隐身作用的主要原因有两点: 一方面由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长,因此纳米微 粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多,这就大大减少波的反 射率,使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱,从而达 到隐身的作用; 另一方面,纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3～4个数量级, 对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多,这就使得红外探测 器及雷达得到的反射信号强度大大降低,因此很难发现被探测目标, 起到了隐身作用。由于发射到该材料表面的电磁波被吸收,不产生反 射,因此而达到隐形效果。
五、碳纳米管的独特性质 4、储氢性能
碳纳米管的中空结构，以及较石墨(0.335nm)略大的 层间距(0.343nm)，是否具有更加优良的储氢性能，也成 为科学家们关注的焦点。 1997年，A. C. Dillon对单壁碳纳米管(SWNT)的储氢 性能做了研究，SWNT在0℃时,储氢量达到了5%。 DeLuchi指出:一辆燃料机车行驶500km,消耗约31kg 的氢气，以现有的油箱来推算，需要氢气储存的重量和体 积能量密度达到65%和62kg/m3。 这两个结果大大增加了人们对碳纳米管储氢应用前景 的希望。
由于其制备的碳纳米管层数多, 弯曲, 含有许多杂质, 需要进 一步纯化, 且碳纳米管缠绕成微米级大团, 还需要进一步进行 分散处理。
四、碳纳米管的生产方法 3、激光蒸汽法
利用激光束照射至含有金属的石墨靶上，将其蒸发，同时结 合一定的反应气体，在基底和反应腔壁上沉积出碳纳米管。
激光蒸汽法合成的单壁纳米碳管纯度高，但所用设备比较昂 贵，合成单壁纳米碳管的量极其有限且容易缠结，因而难以 推广。
三、碳纳米管结构的表征
扫描隧道显微镜 X射线衍射 孔结构及比表面积 电子衍射 拉曼光谱
四、碳纳米管的生产方法
石墨电弧法
化学气相沉积法（CVD）
激光蒸汽法
燃烧火焰法
四、碳纳米管的生产方法 1、石墨电弧法
基本原理： 电弧室充惰性气体保护，两石 墨棒电极靠近，拉起电弧，再 拉开，以保持电弧稳定。放电 过程中阳极温度相对阴极较高， 所以阳极石墨棒不断被消耗， 同时在石墨阴极上沉积出含有 碳纳米管的产物。 理想的工艺条件：氦气为载气，气压 60—50Pa，电流60A～ 100A，电压19V～25 V，电极间距1 mm～4mm，产率50％。 Iijima等生产出了半径约1 nm的单层碳管。
二、碳纳米管的结构 1、按形态分
普通封口型
变径型
洋葱型
海胆型
竹节型
念珠型
纺锤型
螺旋型
其他异型
二、碳纳米管的结构 2、按手性分
锯齿型 zigzag
非手性 achiral来自碳 纳 米 管手性 chiral
其他
扶椅型 armchai
二、碳纳米管的结构 3、按照石墨烯片的层数分
单壁碳纳米管 SWNTs
碳 纳 米 管
六、碳纳米管的应用前景
碳纳米管可能的利用领域
引自：曹风雷, 纳米管材料的化学修饰及其导电性质的理论研究, 2010, 中山大学.
六、碳纳米管的应用前景 1、超级电容器
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，是一种理想的电双层 电容器电极材料。由于碳纳米管具有 开放的多孔结构，并能在与电解质的 交界面形成双电层，从而聚集大量电 荷，功率密度可达8000W/kg。碳纳 米管超级电容器是已知的最大容量的 电容器。
四、碳纳米管的生产方法 2、化学气相沉积法
化学气相沉积法又名催化裂解法，其原理是通过烃类(如甲烷、 乙烯、烯和苯等)或含碳氧化物(如CO)在催化剂的催化下裂 解而成。 化学气相沉积法主要用于多壁碳纳米管的制备,适合于多壁碳 纳米管的批量化加工。化学气相沉积法的特点是操作简单, 工 艺参数更易控制、易于进行大规模生产, 且产率高。目前，此 法具备了工业化的条件。
五、碳纳米管的独特性质 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。
六、碳纳米管的应用前景 5、催化剂载体
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,担载催化剂后极大提高催化剂的活性 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。