碳纳米材料的性能及应用作业

1、碳纳米材料的性能及应用Z09016114 蔡排枝摘要:纳米材料被誉为21世纪的重要材料,而作为新型纳米材料的碳纳米材料因其本身所拥有的潜在优越性,在化学、物理学及材料学领域具有广阔的应用前景。本文依据目前碳纳米材料的研究发展现状,阐述了碳纳米材料碳60、碳纳米管及石墨烯的结构性能,并对其应用特性进行了初步探讨和分析。碳纳米材料是指材料微观结构在0-3维内其长度不超过100nm;由碳原子组成,材料中至少有一维处于纳米尺度范围0-100nm;具有纳米结构。它有四种基本类型:a.纳米粒子原子团如C 60 (零维 b. 碳纳米纤维和碳纳米管(1维 c. 碳纳米层或膜材料石墨烯(2维 d.块体纳米材料如

2、金刚石(3维。由于碳纳米材料的独特结构,使其具有不同于常规材料和单个分子的性质如量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等,从而导致了碳纳米材料的力学性能、电磁性能、光学性能、热学性能等的改变,并使之在电子学、光学、化工陶瓷、生物、医药、日化诸多方面有重要价值,得到广泛的应用。由于石墨,金刚石并不是常用的碳纳米材料。碳纳米材料中,目前应用最成熟的就是碳纳米管。碳纳米管是一种具有独特结构的一维量子材料,由石碳原子层卷曲而成,管直径一般为几纳米到几十纳米,管厚度仅为几纳米,长度可达数微米。由于拥有潜在的优越能,碳纳米管无论在物理、化学还是在材料科学领域都将有大发展前景。比如在材料科学领域,碳纳米管

3、的长度是直的几千倍,被称为“超级纤维”,其性质随直径和螺旋角的同有明显变化。近年来,美国、日本、德国和中国等国家相成立了纳米材料研究机构,使碳纳米管的研究进展随之加快并在制备及应用方面取得了突破性进展。2.1 C60的主要性质及应用C60具有缺电子烯的性质,同时它又兼备给电子能力,六元环间的6:6双键为反应的活性部位,可发生诸如氢化、卤化、氧化还原、环加成、光化与催化及自由基加成等多种化学反应,并可参与配合作用。C60在超导、磁性、光学、催化、材料及生物等方面表现出优异的性能,对它的研究已广泛开展。(1超导体超导现象是大约10年前第一次在一种电子搀杂的富勒烯C60中发现的。C60分子本身是不导

4、电的绝缘体,但当碱金属嵌人C60分子之间的空隙后,C60与碱金属的系列化合物将转变为超导体如K3C60即为超导体,且具有很高的超导临界温度。(2光学特性由于C60分子中存在的三维高度非定域(电子共轭结构使得它具有良好的光学及非线性光学性能。C60光激发后很容易形成电子一空穴对从而产生光电子转移,C60还具有较大的非线性光学系数和高稳定性等特点,可以预计C60将是很好的光电导材料、新型非线性光学材料,有望在光计算、光记忆、光信号处理及控制等方面有所应用。(3功能材料的制备由于C60特殊笼形结构及功能,将C60作为新型功能基团引入高分子体系,得到具有优异导电、光学性质的新型功能高分子材料。将富勒烯

5、丰富的电子和电化学性质与富电子的过渡金属配合物Rubipy,Ruterpy,二茂铁等电活性物种结合可用于新型分子电子器件的制备。华中科技大学刘晓国等人将纳米富勒烯与丙烯酸(酯单体在引发剂作用下共聚,用该聚和物与有机胺中和成盐使其水性化,制得水溶性纳米富勒烯一丙烯酸(酯高分子成膜材料,发现富勒烯对丙烯酸(酯聚和物具有独特的成膜改性功能。(4新型催化剂C60分子的电子亲和力较高(2.62.8 ev易于通过分子内或分子间的电子授受作用而发生氧化还原反应,因此多数富勒烯或其衍生物的金属配合物均具有良好的催化性能,如C60Pdn 可在常温下催化苯乙炔的氢化, C60Pt(H h32、C60Pm对端烯烃的

6、硅氢加成有良好的催化活性。(5生物活性材料Friedman 等人报道了水溶性二氨基二酸二苯基C60衍生物的合成方法,并证明它有抑制HIVP活性的功效,而艾滋病研究的关键是有效抑制的活性。Nakajima等人将他们合成的带聚乙二醇的C60t 生物与 HelaS3 细胞共同培养并用光照射,结果呈现细胞毒性。2.2 碳纳米管的结构性能及应用由碳原子形成的石墨烯片层围成的一种管状结构,而且它们的直径很小,基本都在纳米尺度,所以称其为纳米碳管。在理想情况下,仅仅包含一层石墨烯的纳米碳管称为单壁纳米碳管。包含两层以上石墨烯片层的纳米碳管称为多壁纳米碳管,片层之间的距离为0.34-0.36nm。碳纳米管是指

7、由类似石墨的六边形网格组成的管状物,可以看作是石墨片层绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成。管子一般由单层或多层组成,相应的纳米碳管就称为单壁纳米碳管(SWNT和多壁纳米碳管(MWNT。碳纳米管的直径在几微米到几十纳米之间,长度可达数微米,因此有较大的管径比。资料表明:碳纳米管的晶体结构为密排六方( hcp , a = 0. 24568nm, c = 0. 6852nm, c / a = 2. 786,与石墨相比,a 值稍小而c 值稍大,预示着同一层碳管内原子间有更强的键合力,碳纳米管有极高的同轴向强度。多壁碳纳米管存在三种类型的结构,分别称为单臂纳米管、锯齿形纳米管和手性纳米管。碳纳米管具有很高的

8、杨氏模量和抗拉强度,杨氏模量估计可高达5TPa ;同时碳纳米管还具有极高的韧性,十分柔软。碳纳米管的导电性与本身的直径和螺旋度有关,随着这些参数的变化可表现出导体或半导体性质.碳纳米管管壁在生长过程中有时会出现五边形和七边形缺陷,使其局部区域呈现异质结特性.不同拓扑结构的碳纳米管连接在一起会出现非线性结效应,有近乎理想的整流效应.在室温条件下,碳纳米管能够吸收较窄频谱的光波,能以新的频谱发射光波,还能发射与原来频谱完全相同的光波。可以有以下的应用。(1纳米电子学方面作为典型的一维量子输运材料,用金属性单层碳纳米管制成的三极管在低温下表现出典型的库仑阻塞和量子电导效应.碳纳米管既可作为最细的导线

9、被用在纳米电子学器件中,也可以被制成新一代的量子器件.碳纳米管还可用作扫描隧道显微镜或原子力显微镜的探针。碳纳米管还为合成其它一维纳米材料的控制生长提供了一种模板或框架,碳纳米管在高温下非常稳定,利用碳纳米管的限制反应可制备其它材料的一维纳米结构.这一方法用于制备多种金属碳化物一维纳米晶体和制备氮化物的一维纳米材料。在硅衬底上生长碳纳米管阵列的工艺与现行的微电子器件的制备工艺完全兼容,这就为碳纳米管器件与硅器件的集成提供了可能。美国IBM公司于2001年用单分子碳纳米管成功制成了当时世界上最小的逻辑电路。美国IBM 于2002年成功开发出了当时最高性能的碳纳米管晶体管,比当时用硅制成的最先进的

10、晶体管的速度还要快.(2信息科学方面碳纳米管可制作碳纳米管场致发射显示器碳纳米管的顶端很细,有利于电子的发射,它可用做电子发射源,推动场发射平面显示发展.实验证明在硅衬底上可生长规则的碳纳米管阵列,采用蒸发和掩膜技术在硅表面形成铁的薄膜微观图形,利用乙烯做反应气体,在适当的反应条件下,碳纳米管可垂直于衬底表面生长,形成规则的阵列,阵列的形状由衬底上铁膜的微观图形决定.这种碳纳米管阵列的一个可能的直接应用是场发射平面显示.西安交通大学朱长纯教授领导的研究小组采用新的技术,引导碳纳米管有序、定向地生长在导电的硅片衬底上引,并且进一步研制出功能完备的场发射像素管0训,由于其纯度高、有序性好,场发射性

11、能也大为提高。和传统显示器比,这种显示器不仅体积小,重量轻,大大省电,显示质量好,而且响应时间仅为几微秒,从零下45到零上85都能正常工作.(3能源方面由于碳纳米管具有独特的纳米级尺寸和空心结构,有较大的比表面积,比常用的吸附剂活性炭有更大的氢气吸附能力,非常适合作为储氢的材料.碳纳米管在储氢率方面有明显的优势,加之碳材料的价格低廉,化学性能稳定,密度较小,CNT 储氢的应用前景很好。中科院金属研究所青年研究员成会明博士研究小组,在单壁纳米碳管的储氢研究方面取得显著成果,他们采用等离子体氢电弧法半连续大量制备出高质量单壁纳米碳管,其纯度高,纳米碳管的直径较粗.在室温下获得优异储氢性能,储氢量达

12、4Wt%以上,其中约四分之三的储量可在室温和常压下放出.(4材料方面应用碳纳米管的强度约比钢高100多倍,而比重却只有钢的1/6;同时碳纳米管还具有极高的韧性,十分柔软。它被认为是未来的“超级纤维”,是复合材料中极好的加强材料。目前已经用于纳米结构复合材料和混凝土的强化.对碳纳米管可控制生长技术、表征技术和应用的深入研究将会促进纳米科学和技术的发展,有助于发现新的效应,发展新的器件,以至于形成新的产业。(5制备纳米材料的模板一维纳米中空孔道赋予了纳米碳管独特的吸附、储气和浸润特性。根据理论计算,中空的纳米碳管具有毛细作用,纳米碳管为模板制备其它纳米线的研究工作。以纳米碳管为基础,利用它的中空结

13、构和毛细作用可制备其它纳米结构。对纳米碳管进行B、N等元素掺杂已获得了一系列新型纳米管。以纳米碳管为母体,通过气相反应方法可以制备出SiC、GeO2、GaN等多种纳米棒以及各种金属的纳米线。这些新的一维纳米材料的出现,必将对纳米材料的研究和发展产生积极的影响。(6催化剂载体纳米材料比表面积大,具有特殊的电子效应和表面效应。如气体通过纳米碳管的扩散速度为常规催化剂颗粒的上千倍,担载上催化剂后可极大地提高催化剂的活性和选择性,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。(7复合材料增强相碳纳米管还有非凡的力学性质。理论计算表明,碳纳米管应具有极高的强度和极大的韧性。由于碳纳米管中碳原子间

14、距短、单层碳纳米管的管径小,使得结构中的缺陷不易存在,因此单层碳纳米管的杨氏模量据估计可高达5太帕,其强度约为钢的100倍,而密度却只有钢的1/6。因此,碳纳米管被认为是强化相的终级形式,人们估计碳纳米管在复合材料中的应用前景将十分广阔。(8纳米器件纳米碳管的电学性质与其结构密切相关。就其导电性而言,由于纳米碳管直径和螺旋角不同,可以是金属性的,也可以是半导体性的,甚至在同一根纳米碳管上的不同部位,由于结构的变化,也可以呈现出不同的导电性。纳米碳管中存在大量未成对电子,但其在纳米碳管中的径向运动却受到限制,表现出典型的量子限域效应;而电子在轴向的运动不受任何限制。因此,可以认为纳米碳管是一维量

15、子导线。利用催化热解法成功地制备了纳米碳管-硅纳米线,测试表明,这种金属-半导体异质结具有二极管的整流作用。当一个金属性单层纳米碳管与一个半导体性单层纳米碳管同轴套构而形成一个双层纳米碳管时,两个单层管仍分别保持原来的金属性和半导体性,利用这一特性可制造具有同轴结构的金属-半导体器件。纳米碳管的电学性能和所处气氛有关,在不同气体气氛下,其电阻会发生改变,根据这一现象有可能把纳米碳管用作体积很小而灵敏度极高的化学传感器。纳米碳管具有优异的场发射性能,而且在空气中稳定同时具有较低工作电压和大的发射电流等优点,直径细小的纳米碳管可以用来制作极细的电子枪,在室温及低于80伏的偏置电压下,即可获得0.1

16、1微安的发射电流。有望在新一代冷阴极平面显示器中得到应用。2.3 石墨烯的主要性质及应用石墨烯除了有特殊的结构外,还具有一系列独特的性质。最显著的是它的导热性和机械强度。石墨烯本身就是一个良好的导热体,可以很快地散发热量,而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力,所产生的热量也非常少;而它的强度可以和碳纳米管相媲美,理想强度可达110-130 GPa6j。理想的单层石墨烯具有超大的比表面积(2 630m2/g17j,是很有潜力的储能材料;同时石墨烯又是一种非常优异的半导体材料,具有比硅高很多的载流子迁移率(2105cm2/V,因为即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干长度也可为微米级。石墨烯还

17、是目前已知在常温下导电性能最优秀的材料,电子在其中的运动速度远远超过了一般导体,达到了光速的1/300;这一特性使其在纳电子元件、传感器、晶体管及电池中有着巨大的应用前景。石墨烯还具有良好的透光性,是传统 IT0 膜潜在替代产品。石墨烯可应用在以下方面。(1锂离子电池中的应用石墨烯作为电池电极材料以提高电池效率有着诱人的应用前景。单层或者多层石墨烯在锂离子电池里的应用潜力引起了各国学者的极大关注。Yoo 等人对应用于锂离子二次电池负极材料中石罢烯的性能进行了研究,发现其比容量可以达到540 mAh/g。如果在其中掺入C60 和碳纳米管后,负极的比容量分别可达784mAh /g和730mAh/g

18、,Khan tha等人通过理论计算讨论了石墨烯的储锂机理。(2计算机芯片材料中的应用马里兰大学物理学家的研究表明,未来的计算机芯片材料中石墨烯可能取代硅。石墨烯具有远高于硅的载流子迁移率,并且从理论上说,它的电子迁移率和空穴迁移率两者相等.因此其 n 型场效应晶体管和 P 型场效应晶体管是对称的,因为其还具有零禁带特性,即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干长度也可为微米级,所以它是一种性能非常优异的半导体材料.专家指出硅基芯片在室温条件下的速度是有限的,很难再大幅提高;而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力,所产生的热量也非常少,且石墨烯本身就是一个良好的导热体,可以很快地散发热量,由石墨

19、烯制造的集成电路运行的速度将要快得多.据估计用石墨烯器件制成的计算机的运行速度可达到lT(1012Hz ,即比现在常见的 1G(109的计算机快1000 倍.(3减少纳米元件噪声领域的应用普通的纳米元件随着尺寸越来越小,电噪声(电荷在材料中反弹导致各种各样的干涉,会变得越来越大,这种关系被称为“豪格规则 HogueSlaw”.因此,如何减小噪声成为实现纳米元件的关键问题之一。美国蚴司25-27J宣布,通过一层叠加在另一层上面的双层石墨烯来构建晶体管时,发现可大幅降低纳米元件特有的噪声。虽然这离其商品化生产还甚遥远,还有不少难题要克服,但降低噪声是石墨烯晶体管研制过程中迈出的重要一步。三、总结随

20、着研究的不断深入,碳纳米材料的优异性能和潜在价值被逐步发掘出来,而其在复合材料、纳米器件、储氢材料,量子计算机以及超灵敏传感器等领域也受到了越来越多的关注。当前碳纳米材料的研究还主要集中在基础研究方面,如何大规模制备碳纳米材料如碳纳米管,石墨烯人是未来的一个研究重点。相信在不远的将来,碳纳米材料会给人类的生活,生产实践带来巨大的变化。参考文献 1 IIJIMA S . Heli cal microtubules of graphitic carbon J . Nature,1991, 354: 5658. 2 TREACY M M J , EBBESEN T W, GIBSON J M. Except ionallyhigh Young#s modulus observed for individual carbon nanotubes J .Nature, 1996, 381: 678680. 3 YAO N, LORDI V. Young#s modulus of single w alled carbonnanotubes J . J . Appl. Phys. , 1998, 84: 1939 1943. 4 GIANNOPOULOS G I, KAKAVAS P A, ANIFANTIS N K.Evaluat io