化学 碳纳米管 .ppt

碳纳米管 1. 什么是碳纳米管？ 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的碳纤维，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”。理论分析和实验观察认为它是一种由六角网状的石墨烯片卷成的具有螺旋周期管状结构。正是由于饭岛的发现才真正引发了碳纳米管研究的热潮和近十年来碳纳米管科学和技术的飞速发展。 石墨烯 　　碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料。它主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管（图1）。层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为2~20nm。 碳纳米管不总是笔直的，而是局部区域出现凸凹现象，这是由于在六边形编织过程中出现了五边形和七边形。除六边形外，五边形和七边形在碳纳米管中也扮演重要角色。当六边形逐渐延伸出现五边形时，由于张力的关系而导致纳米管凸出。如果五边形正好出现在碳纳米管的顶端，即形成碳纳米管的封口。当出现七边形时，纳米管则凹进。两根毗邻的碳纳米管不是直接粘在一起的，而是保持一定距离，Ruff等用Jarrel-Ash扫描显微光度计精确测量了两根非常接近的碳纳米管间的距离。 按照石墨烯片的层数，可分为｛ 1) 单壁碳纳米管（Single-walled nanotubes, SWNTs） 2) 多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes, MWNTs） 1) 单壁碳纳米管（Single-walled nanotubes, SWNTs）：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1～50μm。又称富勒管(Fullerenes tubes)。 2) 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。 碳纳米管的独特性质： 1.力学性能： 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。 如果用碳纳米管做成绳索，是迄今唯一可从月球挂到地球表面而不会被自身重量拉折的绳索，如果用它做成地球——月球载人电梯，人们来往月球和地球献方便了。用这种轻而柔软、结实的材料做防弹背心那就更加理想了。 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。 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) 4.储氢性能： 清华大学超级吸氢材料——碳纳米管的研究--- 由于纳米碳中独特晶格排列结构，其储氢数量大大的高过了传统的储氢系统。碳纳米管产生一些带有斜口形状的层板，层间距为0.337 nm，而分子氢气的动力学直径为0.289 nm，所以，碳纳米管能用来吸附氢气。另外 ，由于这些层板之间的氢的结合是不牢固的，降压时能够通过膨胀来放出氢气，直到系统降为常压。实验发现：在常温下，碳纳米管吸氢速度很快，可在3-4个小时之内完成；碳纳米管的放氢速度也很快，在0.5-1个小时之内即可完。碳纳米管的后处理和改性处理对其吸氢量有很大的影响。从实验数据可见碳纳米管储氢容量很大，考虑到目前较为成熟的储氢合金的储氢量只有~1.4 wt%，其优点是显而易见的。 　表1 常用的储氢方法及其优缺点 碳纳米管吸附氢的优点与缺点可归纳如下： 储氢方法 优点 缺点 压缩气体 运输和使用方便、可靠 压力高，使用和运输有危险；钢瓶的体积和重量大，运费较高 液氢 储氢能力大 储氢过程储氢能耗大，使用不方便 金属氢化物 运输和使用安全 储氢量小，金属氢化物易破裂 低压吸附 低温储氢能力大 运输和保存需低温 优点 缺点 · 储氢能力大，可达9.9 wt% · 吸附速率快，数小时内完成 · 室温吸附， · 解吸速率快，数十分钟内完成 · 可直接获得氢气，不需重整器，使用方便 · 吸附压力须100kg/cm2· 钢瓶的体积和质量仍较大 · 目前价格较高 碳纳米管的应用： 无碳纳米管（左）和有碳纳米管（右）情况下的大肠杆菌对比照片 美国科学家的一项必威体育精装版研究表明，单壁碳纳米管能够严重破坏大肠杆菌（E. coli）等细菌的细胞壁，从而将其杀灭。在必威体育精装版的研究中，研究人员在有碳纳米管存在的情况下培育实验模型——大