摘要：碳納米管的發(fā)現(xiàn)是碳團(tuán)簇領(lǐng)域的又一重大科研成果，本文探討了碳納米管的結(jié)構(gòu)、特性、活化方法，評(píng)述了這種納米尺寸的新型碳材料在電化學(xué)器件、氫氣存儲(chǔ)、場發(fā)射裝置、碳納米管場效應(yīng)晶體管、催化劑載體、碳納米管修飾電極領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值，展望了碳納米管的介入對(duì)全球性物理、化學(xué)及材料等學(xué)科界所帶來的美好前景。

　　關(guān)鍵詞：碳納米管,結(jié)構(gòu),性質(zhì),應(yīng)用

　　1 碳納米管的發(fā)現(xiàn)

　　1991年，日本NEC科學(xué)家Iijima在制取C60的陰極結(jié)疤中首次采用高分辨隧道電子顯微鏡(HRTEM)發(fā)現(xiàn)一種外徑為515nm、內(nèi)徑213nm、僅由兩層同軸類石墨圓柱面疊合而成的碳結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步的分析表明，這種管完全由碳原子構(gòu)成，并看成是由單層石墨六角網(wǎng)面以其上某一方向?yàn)檩S，卷曲360°而形成的無縫中空管。相鄰管子之間的距離約為0.34nm，與石墨中碳原子層與層之間的距離0.335nm相近，所以這種結(jié)構(gòu)一般被稱為碳納米管，這是繼C60之后發(fā)現(xiàn)的碳的又一同素異形體，是碳團(tuán)簇領(lǐng)域的又一重大科研成果。

　　2 碳納米管的性質(zhì)

　　2.1 奇異的導(dǎo)電性 碳納米管的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。由于碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，所以具有很好的電學(xué)性能。理論預(yù)測其導(dǎo)電性能取決于其管徑和管壁的螺旋角。當(dāng)CNTs的管徑大于6mm時(shí)，導(dǎo)電性能下降;當(dāng)管徑小于6mm時(shí)，CNTs可以被看成具有良好導(dǎo)電性能的一維量子導(dǎo)線。

　　2.2　優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì) 除了奇特的導(dǎo)電性質(zhì)之外，碳納米管還有非凡的力學(xué)性質(zhì)。理論計(jì)算表明，碳納米管應(yīng)具有極高的強(qiáng)度和極大的韌性。由于碳納米管中碳原子間距短、單層碳納米管的管徑小，使得結(jié)構(gòu)中的缺陷不易存在，因此單層碳納米管的楊氏模量據(jù)估計(jì)可高達(dá)5太帕，其強(qiáng)度約為鋼的100倍，而密度卻只有鋼的1/6。因此，碳納米管被認(rèn)為是強(qiáng)化相的終極形式，人們估計(jì)碳納米管在復(fù)合材料中的應(yīng)用前景將十分廣闊。

　　2.3　良好的熱學(xué)性能 一維管具有非常大的長徑比，因而大量熱是沿著長度方向傳遞的，通過合適的取向，這種管子可以合成高各向異性材料。雖然在管軸平行方向的熱交換性能很高，但在其垂直方向的熱交換性能較低。納米管的橫向尺寸比多數(shù)在室溫至150℃電介質(zhì)的品格振動(dòng)波長大一個(gè)量級(jí)，這使得彌散的納米管在散布聲子界面的形成中是有效的，同時(shí)降低了導(dǎo)熱性能。適當(dāng)排列碳納米管可得到非常高的各向異性熱傳導(dǎo)材料。

　　2.4　優(yōu)良的儲(chǔ)氫性能 碳納米管的中空結(jié)構(gòu)，以及較石墨(0.335nm)略大的層間距(0.343nm)，是具有更加優(yōu)良的儲(chǔ)氫性能，也成為科學(xué)家們關(guān)注的焦點(diǎn)。1997年，A. C. Dillon對(duì)單壁碳納米管(SWNT)的儲(chǔ)氫性能做了研究，SWNT在0℃時(shí)，儲(chǔ)氫量達(dá)到了5%。DeLuchi指出:一輛燃料機(jī)車行駛500km，消耗約31kg的氫氣，以現(xiàn)有的油箱來推算，需要?dú)錃鈨?chǔ)存的重量和體積能量密度達(dá)到65%和62kg/m3。這兩個(gè)結(jié)果大大增加了人們對(duì)碳納米管儲(chǔ)氫應(yīng)用前景的希望。

　　3 碳納米管的活化

　　一般認(rèn)為，在碳納米管表面引入一些電活性基團(tuán)，經(jīng)過活化才能有較好的電化學(xué)響應(yīng)�；罨�的方法一般分為兩類：①在制成電極前對(duì)碳納米管進(jìn)行活化，包括在氣相中用空氣或等離子體氧化或用酸(主要是濃HNO3)氧化。以濃HNO3處理碳納米管的方法是：將碳納米管在濃硝酸中浸泡10小時(shí)后，100℃濃硝酸回流5-6小時(shí)。再將得到的懸濁液離心分離、烘干，得到粉末狀開管硝基化的碳納米管。取1mg分散至3ml的N-N-二甲基甲酰胺(DMF)中，超聲分散15分鐘，備用。②制成電極后，用電化學(xué)方法進(jìn)行活化，即將碳納米管電極在一定溶液中(如磷酸鹽緩沖溶液)于一定電位范圍內(nèi)循環(huán)掃描。經(jīng)過活化以后，根據(jù)所用介質(zhì)的不同，可以在碳管表面引入含氧、甚至含硫的基團(tuán)，一般包括羥基、羰基、羧基、酚類和醌類化合物等，這些電活性基團(tuán)可以催化或促進(jìn)其他物質(zhì)的電子傳遞反應(yīng)。

　　4 碳納米管的結(jié)構(gòu)

　　碳納米管(CNT)又名巴基管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)(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)的一維量子材料。它是由單層或多層石墨片圍繞中心軸按一定的螺旋角卷繞而成的無縫、中空的“微管”，每層由一個(gè)碳原子通過sp2雜化與周圍3個(gè)碳原子完全鍵合后所構(gòu)成的六邊形組成的圓柱面。根據(jù)形成條件的不同，碳納米管存在多壁碳納米管(MWNTs)和單壁碳納米管(SWNTs) 兩種形式。MWNTs一般由幾層到幾十層石墨片同軸卷繞構(gòu)成，層間間距為0.34nm左右，其典型的直徑和長度分別為 2-30nm0.1-50μm.SWNTs由單層石墨片同軸卷繞構(gòu)成，其側(cè)面由碳原子六邊形排列組成，兩端由碳原子的五邊形封頂。管徑一般從10-20nm，長度一般可達(dá)數(shù)十微米，甚至長達(dá)20cm。

　　5　碳納米管的應(yīng)用

　　由于碳納米管具有優(yōu)良的電學(xué)和力學(xué)性能，被認(rèn)為是復(fù)合材料的理想添加相。碳納米管作為加強(qiáng)相和導(dǎo)電相，在納米復(fù)合材料領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。

　　5.1 電化學(xué)器件 碳納米管具有非常高的比表面積、導(dǎo)電性能和良好的機(jī)械性能，是電化學(xué)領(lǐng)域所需的理想材料。碳納米管電容器具有非常好的放電性能，能在幾毫秒的時(shí)間內(nèi)將所存儲(chǔ)的能量全部放出，這一優(yōu)越性能已在混合電力汽車中開始實(shí)驗(yàn)使用。由于可在瞬間釋放巨大電流，為汽車瞬間加速提供能量，同時(shí)也可用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定電壓和小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)。鋰離子電池是碳納米管應(yīng)用研究領(lǐng)域之一。碳納米管鋰離子電池容量大，放電速度快，充放電容量達(dá)到1000mA.h/g，大大高于石墨(372mA.h/g)和球磨石墨粉(708mA.h/g)。

　　5.2　氫氣存儲(chǔ) 碳納米管儲(chǔ)氫是具有很大發(fā)展?jié)摿Φ膽?yīng)用領(lǐng)域之一，室溫常壓下，約2/3的氫能從碳納米管中釋放出來，而且可被反復(fù)使用。碳納米管儲(chǔ)氫材料在燃料電池系統(tǒng)中用于氫氣存儲(chǔ)，對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展具有非常重要的意義，可取代現(xiàn)用高壓氫氣罐，提高電動(dòng)汽車安全性。

　　5.3 場發(fā)射裝置 學(xué)術(shù)和工業(yè)界對(duì)碳納米管電子器件的研究主要集中在場發(fā)射管(電子槍)，其主要可應(yīng)用在場發(fā)射平板顯示器(FED)、熒光燈、氣體放電管和微波發(fā)生器。碳納米管平板顯示器是最具誘人應(yīng)用潛力和商業(yè)價(jià)值的領(lǐng)域之一。

　　5.4 碳納米管場效應(yīng)晶體管 碳納米管場效應(yīng)晶體管的研制成功有力地證實(shí)了碳納米管作為硅芯片繼承者的可行性。尤其是目前，在科學(xué)家再也無法通過縮小硅芯片的尺寸來提高芯片速度的情況下，納米管的作用將更為突出。

　　5.5 催化劑載體碳納米管由于尺寸小，比表面積大，表面的鍵態(tài)和顆粒內(nèi)部不同，表面原子配位不全等導(dǎo)致表面的活性位置增加，是理想的催化劑載體材料。

　　5.6 碳納米管修飾電極 碳納米管對(duì)生物分子活性中心的電子傳遞具有促進(jìn)作用，能夠提高酶分子的相對(duì)活性。與其它碳電極相比，碳納米管電極由于其獨(dú)特的電子特性和表面微結(jié)構(gòu)，可以大大提高電子的傳遞速度，表現(xiàn)出優(yōu)良的電化學(xué)性能。HRP在碳納米管(CNT)修飾GC電極表面的固定及直接電化學(xué)。將多壁碳納米管和聚丙烯胺層層自組裝制得葡萄糖生物傳感器，其靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)。 正因?yàn)樘技{米管與生物材料有著特殊的相互作用，人們已經(jīng)將碳納米管應(yīng)用到化學(xué)及生物分析中，目前國內(nèi)外已有很多學(xué)者對(duì)碳納米管在生物傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了大量的理論和實(shí)踐研究，并取得了突破性的進(jìn)展，充分顯示了碳納米管作為新型電極材料的應(yīng)用前景。