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碳纳米管的制备及其应用进展

10710030133周健波

摘要：本文通过对新型化工材料碳纳米管的结构以及制备方法的介绍，并说明了

制备纳米管方法有石墨电弧法、激光蒸发法、催化热解法等技术。同时也

叙述了碳纳米管在力学性能、光学性能、电磁学性能等性能的研究及其应

用。

关键词：碳纳米管制备结构石墨电弧法应用

1.引言

1991年日本科学家IIJIMA发现了碳纳米管（Carbonnanotube,CNT）,开

辟了碳科学发展的新空间.碳纳米管具有机械强度高、比表面大、电导率高、界

面效应强等特点,以及特殊的机械、物理、化学性能,在工程材料、催化、吸附分

离、储能器件电极材料等诸多领域得到了广泛应用。

2.碳纳米管的结构

碳纳米管中碳原子以sp2杂化为主,与相邻的3个碳原子相连,形成六角形

网格结构,但此六角形网格结构会产生一定的弯曲,可形成一定的sp3杂化键。

单壁碳纳米管(SWCNT)的直径在零点几纳米到几纳米之间,长度可达几

十微米;多壁碳纳米管(MWCNT)的直径在几纳米到几十纳米之间长度可达几毫

米,层与层之间保持固定的间距,与石墨的层间距相当,约为0.134nm。碳纳米管

同一层的碳管内原子间有很强的键合力和极高的同轴向性,可看作是轴向具有周

期性的一维晶体，其晶体结构为密排六方,被认为是理想的一维材料。

碳纳米管可看成是由石墨片层绕中心轴卷曲而成,卷曲时石墨片层中保持

不变的六边形网格与碳纳米管轴向之间可能会出现夹角即螺旋角.当螺旋角为零

时,碳纳米管中的网格不产生螺旋而不具有手性,称之为锯齿型碳纳米管或扶手

型碳纳米管;当碳纳米管中的网格产生螺旋现象而具有手性时,称为螺旋型碳纳米

管。随着直径与螺旋角的不同,碳纳米管可表现出金属性或半导体性。

3.碳纳米管的制备方法

3.1石墨电弧法

IIJIMA通过电弧放电法首次得到了碳纳米管。阳极石墨电极在电弧产生的

高温下蒸发,在阴极沉积出含有碳纳米管的产物。用纯石墨电极制备的碳纳米管

存在石墨碳纳米颗粒、无定形碳等杂质,产量不高且分离困难。在石墨电极中

加入Fe,Co,Ni等催化剂可以降低反应温度,择优生成碳纳米管。

在反应室中充入惰性气体或氢气,采用不同的工艺条件,可制得单壁碳纳米

管或多壁碳纳米管.WANG等[8]认为,与Ar,He等惰性气体对碳纳米管的形

成主要起冷却作用相比,H2具有更高的导热率且可形成CH键,从而刻蚀非晶

碳,因此用H2作缓冲气体合成的碳纳米管更加纯净。成会明等开发了半连续氢

等离子电弧法,阳极由石墨粉和催化剂组成,阴极是一根石墨棒.用金属络合物催

化,含硫化合物抑制杂质生成,促进碳纳米管生长,在H2气氛中电弧放电,单壁碳

纳米管0.5h的产量达1g。

ISHIGAMI等在液氮环境下得到的多壁碳纳米管,产量可达44mg

/min·cm2。LIXue-song等提出水保护电弧放电法,碳纳米管含量高于50%。TIAN

等将煤粉和金属粉末混合物直接注入等离子流,用煤电弧法合成了多壁碳纳米管,

省却了复杂的煤基电极制作过程。

在制备碳纳米管的过程中,通过对电弧放电条件、催化剂、电极尺寸、进料

方式、极间距离以及原料种类等工艺条件进行优化,电弧法变得日渐成熟。由电

弧法得到的碳纳米管形直,壁簿(多壁甚至单壁),但产出率偏低,电弧放电过程

难以控制,制备成本偏高,其工业化生产还需探索。

3.2激光蒸发法

利用高能量密度激光在特定的气氛下照射含催化剂的石墨靶,激发出来的碳

原子和催化剂颗粒被气流从高温区带向低温区,在载体气体中气态