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准一维纳米碳材料类别与典型应用

来源:学术堂 作者:韩老师
发布于:2015-08-13 共2486字

  当前,低维纳米材料以其独特的结构和性质受到了世界科技、经济和社会各界的高度关注,是材料前沿研究的热点领域之一。

  从空间而言,低维纳米材料可以按零维(颗粒状)、一维(线状)、二维(层状) 进行分类。准一维纳米材料通常是指仅沿某一个维度生长、而在其他维度限制生长的纳米材料。由于这类纳米材料的结构高度各向异性,其性质往往也呈现各向异性,再加上可以通过多种方法使其功能化,在未来的纳米材料、纳米器件、纳米机械等研究领域具有多样而奇特的应用前景。准一维纳米材料包括如下类别:纳米线 (nanow iren),纳米管(nanotube),纳米带 (nanoribbon) 和纳米导线 (nanoline) 等。本文仅对准一维纳米碳材料及其制备方法进行概述,并对其典型应用领域进行介绍。

  1 准一维纳米碳材料及其制备

  1.1 碳纳米管

  碳纳米管 (CarbonNanotubes,简写 CNTS) 较早被发现。因CN TS 具有尺寸较小、比表面大、界面效应强等特点而备受研究者的青睐。CN TS 的制备方法包括:激光蒸发法、电弧放电法、化学汽相沉积(CVD) 法等。

  Bandow 等[1]人激光蒸发法对实验设备进行了改进,首次成功制得高质量的单壁CNTS.该方法的基本原理是激光束的热量加热石墨靶,使之生成气态碳。这些气态碳原子和催化剂粒子,在催化剂作用下使碳原子生长成CN TS.

  1.2 碳纳米棒

  碳纳米棒是不同于纳米管的另一种纳米材料,主要差异就是其内部为实芯。其制备方法包括:电弧放电法、激光蒸发法和 CVD 法等。

  Song等[2]采用C2H2为碳源,采用Si为衬底的Fe 基催化剂,实验温度为973℃,用CVD 法制备出碳纳米棒。

  1.3 碳纳米带

  顾名思义,纳米带是带状结构的。它们的横截面均是矩型,一般宽厚比要大于10.纳米带具有显着的特点,这就是它们有完整的习性晶面。纳米带的晶体结构呈各向异性,不同晶面有不同的表面能,物理性质差异显着。

  这一特点在晶体生长及其控制中有重要价值,人们通过控制晶体某些特定晶面的生长,就可以实现晶体的功能设计和制备。纳米带的缺点是没有纳米管那样的高结构强度。但纳米带的生产过程简单可控,有利于保证批量产品的质量。

  碳纳米带的制备方法有电弧放电法、CVD 法等。M ahanandia等[3]以四氢呋喃为碳源,使用二茂铁为催化剂,不用惰性气体载气,采用CVD 法在石英管内壁上沉积,制得碳纳米带。

  1.4 碳纳米纤维

  碳纳米纤维是由多层石墨片层卷曲而成的,长度为0.5~100μm,直径为 10~500nm,是介于CNTS 和普通碳纤维之间的准一维碳材料。碳纳米纤维有大的比表面积,优异物理、化学性质和化学稳定性,和较好的导电性能。

  其制备方法有电弧放电法和静电纺丝法等。Pacheco-sotel等[4]采用电弧放电法制得碳纳米纤维,平均直径为80nm、表面干净。

  1.5 碳纳米卷

  碳纳米卷是由单层或多层石墨烯薄片卷绕而形成的,结构非封闭,壁间距可调。碳纳米卷的常用制备方法有电弧放电法、超声剥离法、异丙醇卷起单层石墨片层发。

  1960 年,在压强为9.2M pa 的氩气中、温度为3600℃的实验条件下,Braga[5]用电弧放电法,成功获得长度约 5cm、平均直径约为5m m 的石墨晶丝。目前,批量生产碳纳米卷的工业方法尚未见报道。

  可以说,实验制备高质量的碳纳米卷难度很大、成本较高,研究者更愿意用一些材料设计软件先进行虚拟研究设计研究,再实验制备。

  2 准一维纳米碳材料的典型应用

  2.1 储氢材料

  氢气是一种极为理想的代替石油、煤等不可再生资源的能源,它的优点是含量大便于制取、清洁无污染。目前,阻碍氢气能源应用的主要是储存问题。CN TS 则为氢能储存提供了新方法。Zacharia 等[6]在CNTS 中掺入金属粒子,研究纯CN TS 和掺杂CN TS 对氢分子的吸附行为。研究结果揭示,在CN TS 中掺杂纳米金属粒子不仅能够提升其吸氢速率,而且可以大大提高其储氢容量。

  2.2 场发射器件

  CNTS 具有很高的电子态密度,且其直径仅有几个纳米,因而其附近易于建立强电场,从而将电子从纳米管顶部发射出去。大量实验研究结果证实,CN TS 具有优异的场致电子发射能力。Cui等[7]采用CVD 法制得CNTS.他们研究发现,随着温度的增加CN TS 的场发射性质显着改善。CN TS 阵列制备研究的进展是重要突破,这使得人们能把数以万计的CNTS 有序排列在基片上。显然,这有力地促进CN TS 阵列在场发射领域的应用开发。

  2.3 化学传感器

  利用CN TS 导电性能与吸附气体的关系,人们研制了基于CN TS 的化学气体传感器,它们可以检测多种气体。例如,M erkoci等[8]基于CN TS 制成具有极高的灵敏度的电化学传感器。其原理是CN TS 可以提升电子迁移速率,而金属铂具有催化性能,他们用CN TS 对铂碳电极表面进行修饰,从而使传感器兼有这两个特性,提升了传感器的灵敏度。

  2.4 水处理材料

  CNTS 具有微孔结构、较大的比表面积和多种吸附中心。因而成为人们期望的优质微污染吸附剂、正在探索将它们应用于水处理等环境治理和生态保护领域。

  2.5 其它应用

  CNTS 上有一些悬浮键,与高分子材料复合时,结合界面有化学键形成、结合牢固,进而得到性能优异的复合材料。如该类复合材料的弹性、强度、抗静电性、吸收微波性等不一而足。

  CNTS 复合材料的优异性能可使其广泛应用于电磁干扰屏蔽材料、合成纤维、隐身材料、导电或抗静电塑料等诸多行业。碳纳米带还可应用于平板显示,由于它的高的电导率和高的光学透明性,使其在平板显示、太阳能、光电子领域都有潜在的应用价值。

  3 结语

  准一维纳米碳材料具有极高的科研和潜在的应用价值。目前,在其制备和应用研究方面取得了一定的成就,尤其是在CNTS 和碳纳米纤维。虽然对CN TS 和碳纳米纤维的生成机理研究的比较成熟,但对于其它准一维纳米碳材料确切的生长机理还没有完全掌握,其制备大多处于实验研究阶段。在应用研究方面,对准一维纳米碳材料结构和性能之间的关系的研究还不够系统深入,还需要进行大量的性质以及应用基础研究。

  [参考文献]

  [1] Bandow S, Asaka S, Saito Y et al.生长温度对于单壁碳纳米管的直径分布和手性的影响[J].物理学评论通讯,1998.
  [2] 刘强,刘伟,崔志民,宋卫国。双支 K 接点碳纳米管和纳米棒的 3D 合成与表征[J].Carbon, 2007.
  [3] Mahanandia P, Nanda KK, Prasad V et al.碳纳米带和单晶铁填充碳纳米管的合成与表征[J].材料研究公告,2008.

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