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新型纳米材料_纳米碳管.pdf

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第16卷第2期材料科学与工程总第62期 Vo1116No12MaterialsScience&EngineeringJune1998 新型纳米材料——纳米碳管 董树荣张孝彬涂江平王春生刘茂森 浙江大学杭州310027 【摘要】纳米碳管是一种新型的纳米材料,其独特的分子结构和性能引起了人们的广泛关 注。本文从材料科学的角度简要介绍了纳米碳管的发现、发展、制备方法、分子结构以及在材料领域 的广泛应用和重大意义。 【关键词】纳米碳管纳米材料应用 ANewTypeNanometreMaterial——CarbonNanotube DongShurong,ZhangXiaobin,TuJiangping,WangChunsheng,LiuMaosen ZhejiangUniversityHangzhou310027 【Abstract】Regardedcarbonnanotubeasanewnanometrematerial,Ithasbeenpaidwidelyattention becauseofitsdistinctivemoleculestructureandperformance.Fromtheviewofmaterialsciencethispaper brieflydescribeditsdiscovery,preparationmethod,moleculestructureandpotentialapplicationandsignifi2 cantvalueinvolvedinthefieldofmaterialscience. 【Keywords】CarbonnanotubeNanometrematerialApplication maS.[4]、BethuneD.[5]等人以Fe、Co为催化剂进行 一纳米碳管的发现电弧反应,生长出了单层、半径1nm的碳管,S. Amelinckx等[6]采用金属催化热分解碳氢化合物 碳元素作为自然界最普遍的元素之一,以其特法,制备出了螺旋状的纳米碳管。IvanovV.等[7]用 有的成键轨道形成了丰富多彩的碳的家族。一直以 ,这一方法长出了长达50Lm的纳米碳管等。纳米碳 来人们认为自然界只存在三种碳的同素异形体:金 刚石、石墨、无定形碳。1985年Kroto,Smalley等人 [1] 发现幻数为60的笼状C60分子,其60个碳原子分 别位于由20个六边形环与12个五边形环组成足球 状多面体的顶点上;1990年KratschmerW.用石墨 [2] 电极电弧放电首次宏观量地合成了C60,其后,球 形或椭球形的C70、C76、C78、C82、C84等又被相继发 现,标志着碳的同素异形体的又一大家族富勒烯的 兴起。1991日本NEC的Iijima[3]用真空电弧蒸发石 墨电极,并对产物作高分辨透射电镜(HREM),发现 了具有纳米尺寸的碳的多层管状物——纳米碳管, 国内学者常称之为巴基管(见图1)。巴基管的发现 图1巴基管模型及HREM照片 掀起了续C60后富勒烯的又一次研究高潮。此后Iiji2 ·19· 管以它独特的一维管状分子结构开辟了纳米材料的北大学[10]用改变阳极直径、保护气氛等反应条件的 新领域,人们对于它的研究正方兴未艾。方法,将产量提高到含纳米碳管30%,使得研究纳 米碳管的结构和性能成为可能。但直接用石墨电极 二纳米碳管的分子结构和性能制备的阴极沉积物中既存在纳米碳管,也有纳米碳 颗粒、无定形碳、石墨等杂质,纳米碳管的产量不高, 什么是纳米碳管?ThomasW.定义[8]是:由单而且分离困难。用加入催化剂择优催化生成纳米碳 层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米级管。每片纳管反应的方法,可以降低反应温度并减少融合物。I2 米管是一个碳原子通过SP2杂化与周围三个碳原子ijimaS.[4]、BethuneD.[5]、linX.[11]等人以Fe、Co、 完全键合而成的、由六边形平面组成的圆柱面;其平Ni为催化剂进行电弧反应,生长出了高产率的纳米 面六角晶胞边长为2146A°,最短的碳2碳键长碳管,内含半径约1nm的单层碳管;SupapanS. 1142A°,接近原子堆垛距离(1139A°)。多层纳米碳等[12]将Ni、Pt、Pa金属粉末与丙醇调和塞入石墨阴 管的层间接近ABAB⋯堆垛,片间距一般为极进行电弧反应,发现用不同催化剂可以长出不同 0134A°,与石墨片间距基本相当。各单层管的顶端形态的纳米碳管;IijimaS.等对不同金属如Fe、Co、 由五边形或七边形参与封闭。由于其直径接近富勒Ni、Ti、Y、La、Si、Pa、Pt等的催化效果进行比较,发 烯而长度很长(可达Lm级),也可将它看作拉长的现Fe、Co、Ni的催化效果最明显[13];TEM观察