化学 碳纳米管 .ppt

1、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

2、.34nm，直径一般为220nm。 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)

3、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0.753nm和150m。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250不等，层间距为0.340.01nm，与石墨层间距(0.34nm)相当。多壁管的典型直径和长度分别为230nm和0.150m。,碳纳米管的独特性质：,1.力学性能： 碳纳米管的抗拉强度达

4、到50200GPa,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

5、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

6、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：,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,美国科学家的一项最新研究表明，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。在最新的研究中，研究人员在有碳纳米管存在的情况下培育实验模型大肠杆菌近一个小时。结果发现，只要病菌与单壁碳纳米管直接接触，就会被彻底杀灭。Elimelech推测，可能是长而细的碳纳米管刺破了细胞，从而产生伤害。同时，研究排除了金属毒性作祟的可能，因为为了避免金属污染，单壁碳纳米管的合成和净化过程都十分严格。 Elimelech小组目前正在研

7、究多壁碳纳米管的毒性，初步的结论是它比单壁碳纳米管的毒性要弱。此外，研究人员也致力于在更广泛的细菌种类中进行类似实验，以期更好地理解碳纳米管破坏细胞的机制。,（a）壁虎脚的电子显微镜放大照片； （b）碳纳米管阵列的电子显微镜放大照片；（c）一个（44）平方毫米的碳纳米管阵列自吸附在垂直玻璃的表面上悬挂一瓶约650克的瓶装可乐饮料； （d）一个（44）平方毫米的碳纳米管阵列自吸附在垂直的砂纸表面上悬挂一个金属钢圈,壁虎的脚底有数十万根极其微小的细毛，“飞檐走壁”时壁虎就是靠这些细毛与物体表面分子产生的黏合作用，在停下时可强劲黏合，抬腿欲走时可轻松分开。 美国研究人员仿照壁虎的脚底，把用碳纳米管材

8、料制成的毛状物覆盖到聚合物表面，这些毛状物具有与壁虎脚底细毛类似的功能。最终，研究人员研制出一种柔软的贴片，可以反复粘贴、扯下，而且其性能比壁虎脚底更胜一筹。研究人员说，这种碳纳米管材料黏合时的力量是壁虎脚底的4倍。 “如果目前的碳纳米管阵列尺寸可以扩大，那么手掌大(10厘米10厘米)的一块仿生纳米脚就可以在屋顶上悬挂一位100公斤重的人。”,当一个原子或分子被存放在此碳纳米管上面时，此碳纳米管的共振频率就会因此原子或分子的质量而改变，类似于不同体重的跳水运动员会改变跳水板的共振频率一样。 此研究小组成员肯尼思延森说：让碳纳米管振动很简单，难的就是探知其振动的微小变化。我们通过磁场发射或喷雾让它产生了振动，并探测到此碳纳米管一端的电流变化。,碳纳米管的一端可自由活动，而另一端入则连接在一个电极上，且距离相对的电极相当近。来自电池或太阳能电池上的直流电源与这对电极相连，导致它以某种波动的共振频率振动。,近日，美国密歇根大学机械工程系使用大约1.5亿根碳纳米管为当选总统奥巴马制作了一组画像。图为在电子显微镜