第一篇：碳納米管的應用與前景

單壁碳納米管的應用與前景 1.SWNTs在現實中的應用：

當材料尺度減少到納米量級，會產生在宏觀尺度上完全看不到的或者是特別優異的性能，達到納米量級的材料會產生自組裝效應、小尺寸效應、表面效應和量子效應。1.1 儲氫材料

氫氣在未來的能源方面將扮演一個重要的角色。氫能量蘊含值高，不污染環境，資源豐富，但氫氣能源實用化的關鍵環節是氫氣的儲存。因SWNTs的中空部分是極好的微容器，可吸附大小合適其內徑的各種分子，可儲存包括氫在內的各種氣體。通過對SWNTs的吸氫過程研究發現，氫可能以液體或固體的形式填充到SWNTs的管體內部以及SWNTs束之間的孔隙，純的表面活性高的SWNTs有利于儲氫。

1997年，美國可再生能源實驗室的Dillon和Heben等人首次報道了SWNTs的氫氣吸附性能。他們發現SWNTs在133K和40KPa的壓力下能吸附大約5%-10%（質量分數）的氫，并指出SWNTs是目前唯一能滿足氫能源燃料電池汽車的儲氫材料。Ye等人使用高純度的SWNTs在80K和10MPa下獲得8.25%的氫吸附率。C.Liu等最近使用37%的鹽酸浸泡48h和773K真空熱處理2h的SWNTs在室溫和10-12MPa的條件下獲得了4.2%的氫吸附率（樣品如圖1所示）。我國成會明等也研究了半連續氫等離子弧制得的SWNTs經適當預處理后，在10MPa壓力、室溫下儲氫質量分數可達4.2%-4.7%。這些研究表明，SWNTs是一種理想的儲氫材料，具有潛在的應用前景。

（圖1）硝酸處理后的SWNTs的SEM（掃描電子顯微鏡）照片

（圖2）吸附氫的SWNTs結構示意圖

（a）所有氫吸附在內表面（b）以氫分子形式穩定存在于碳管內部）1.2 電子領域的應用——雙電層超級大容器

由于CNTs具有很好的電學性能，特別是經高溫退火處理消除部分缺陷后的CNTs，導電性能更高，使得目前關于CNTs的應用研究主要集中在電子領域。我們就以SWNTs來說吧。

德國物理學家亥姆霍茲（Helmhots）在進行固體與液體界面現象的研究中發現，將金屬板或其它導電體插入電解質溶液時，由于庫侖力、分子間作用力或原子間作用力（共價力）的作用，使金屬表面出現穩定的、符號相反的雙層電荷，稱為雙電層。對于雙電層電容器，其儲存能量的多少是由電容器電極極板的有效表面積確定，而SWNTs具有最大的比表面積和良好的導電性，碳納米管制備的電極，可以顯著提高雙電層電容器的電容量。雙層電容器的出現使得電容器的極限容量驟然上升了3-4個數量級，達到了近1000F的大容量。雙層電容器的工作原理是基于在電極與電解液界面形成所謂的雙電層的空間電荷層，在這種雙電層中積蓄電荷，從而實現儲能的目的。它不同于傳統意義上的電容器，而類似于充電電池，但比傳統的充電電池（鎳氫電池盒鋰離子電池）具有更高的比功率？？和更長的循環壽命（循環壽命在萬次以上）。

因此，電化學電容器在移動通訊、信息技術、電動汽車、航天航空和國防科技等方面具有極其重要和廣闊的應用前景。例如，大功率的超級電容器對于汽車的啟動、加速和上坡行駛極具重要。它可以大大延長蓄電池的使用壽命，提高電動汽車的實用性，況且，對于燃料電動汽車的啟動都是不可少的。鑒于雙電層超級電容器的重要性，各工業發達國家都給予了高度重視。1996年歐共體制定了電動汽車超級電容器的發展計劃。美國能源部也制定了相應的發展超級電容器的研究計劃。我國清華大學的馬仁志等人采用催化裂解內烯和氫氣的混合氣體制備碳納米管原料，并通過添加粘合劑或經高溫加壓的工藝手段制備碳納米管的固體電極，再加入硫酸水溶液做電解質，成功地制備出超級電容器。

碳納米管在電子領域應用非常廣泛。如可作為導線、開關盒記憶元件，應用于微電子器件。利用碳納米管的量子效應，在分子水平上對其進行設計和操作，可以推動傳統器件的微型化。另外，碳納米管具有很好的導電性，可以避免因電極材料的電阻極化對電池性能產生不利影響。因此，采用碳納米管作為負極材料有利于提高鋰離子電池的放電容量、循環壽命和改善電池的動力學性能等。

雙電層電容器電荷 及電位分布示意圖

（圖3）

1.3 碳納米復合材料：尼龍-66/SWNTs 隨著SWNTs合成和生成技術的不斷發展，SWNTs復合材料的實際運用已近在咫尺。SWNTs的優良性能可望開辟諸多新穎的應用領域，諸如，新型導電高分子材料、多功能聚合物復合材料、導電金屬基復合材料以及高斷裂應力陶瓷材料等等。而SWNTs是最有特征的一維納米材料，具有非常獨特、十分完美的微觀結構和非常大的長徑比，且表面積大、柔韌性好，在分子水平上與基質通過化學鍵連接因此能夠被拉伸。

就以尼龍-66/SWNTs復合材料來說吧。尼龍-66（簡稱PA6,6）是一種具有較高力學性能的縮水聚合型高分子材料，在工業領域和日常生活中得到廣泛應用。Haggenmueller等原位界面聚合的方法制備了PA6,6/SWNTs復合材料。SWNTs分別為純化的、功能化修飾的和表面活性劑穩定的三種，分別用紅外、拉曼和TG表征了SWNTs的修飾情況，分散性用光學顯微鏡觀察，結果顯示功能化的碳納米管和表面活性劑穩定的碳納米管在溶劑里面的分散性都得到了提高，僅功能化的SWNTs在復合材料中顯示了較好的分散性，純化的和表面活性劑分散的SWNTs在復合材料中碳納米管出現團聚，弱的剪切還導致了SWNTs的凝絮.其實，碳納米管復合材料的范圍是很大的。我們這里只不過是列舉其中的一鐘著重介紹罷了。例如，碳納米管/金屬基復合材料就是將碳納米管與金屬基體復合。它包括碳納米管/鐵基復合材料、碳納米管/鋁基復合材料、碳納米管/鎳基復合材料等。碳納米管/金屬基復合材料具有高強度、良好的抗疲勞性能、高抗沖擊性以及重量輕等優點。然而，由于其成本相對較高，限制了它的應用，至今主要應用于汽車工業、航空和航天工業。

不過，近年來，碳納米管復合材料的研究重點已轉移到高分子碳納米管復合材料方面，在提高高分子材料力學性能方面已取得一定進展。如CNTs/PMMA復合材料。PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）是一種被廣泛使用、歷史較長的加聚高分子材料。由于CNTs具有較好的導電性能，使得CNTs/PMMA復合材料的表面電阻率與體積電阻率隨復合材料中CNTs含量的增加而減低，最大減幅達4個數量級，具有一定的抗靜電作用。

（圖4）

改進原位法復合的復合材料

拉斷后掃描電子顯微鏡照片

1.4 生物醫學領域

生物分子如核酸和蛋白質攜帶著生命過程的重要信息。在生物醫學研究和衛生保健中，人們非常希望獲得在分子水平上檢測和運輸特定物質或載體的能力。而當材料達到納米尺度時，其大小接近生物分子，它們直接與單個生物分子作用，這與傳統的宏觀和微觀器件處理相對大量的分子集合不同。

作為納米材料，SWNTs的空腔管體可容納生物特異性分子和藥物，優良的細胞穿透性能使其作為載體運送生物活性分子及藥物進入細胞或組織。原始的碳納米管不溶于任何溶劑，而功能化修飾可改善碳納米管的溶解性和生物相容性，故可攜帶蛋白、多肽、核酸和藥物等分子，亦可作為治療載體在癌癥治療、生物工程和基因治療等領域展現出了令人矚目的應用前景。

SWNTs可作為生物傳感器。碳納米管是傳感器件的關鍵部分，它們在制造過程中被直接或間接地集成到器件中。迄今為止，人們使用了從先進的微納加工或者是性質隨特定生物活動而變化的感應元件，或者是將信號傳遞給測量單元的轉換元件。生物傳感器的原理是使用碳納米管來探測單個活細胞內的生物化學環境或探測單個生物分子。碳納米管探針可以附著在細長的電極尖端進行電學、電化學和電生理學測量。

除了上述應用外，由于碳納米管的體積可以小到10-5mm3，醫生可以向人體血液里注射納米碳管潛艇式機器人，用于治療心臟病。一個皮下注射器能夠裝入上百萬個這樣的機器人。它們從血液里的氧化和葡萄獲取能量，按編入的程序刺探周圍的物質。如果碰上的是紅血球等正常的組織細胞，識別出來后便不予理會。當遇到沉積在動脈血管壁上的膽固醇或病毒時，就會將其打碎或消滅，使之成為廢物通過腎臟排除。微型機器人可以使外科手術變得更為簡單，不必用傳統的開刀法，只需在人體的某部位上開一個極小的孔，放入一個極小的機械即可。這一切都是人眼所不能看到的。美國哈佛大學的Lieber等人研制出一種微型納米鉗，有望成為科學家和醫生操作生物細胞、裝配納米機械進行微型手術的新工具。

1.5前景

作為當今材料科學領域的明星材料之一，SWNTs獨特的結構以及其獨特的性能揭示了它在各個領域的潛在價值。它的一些特殊的物理性質、化學性質，在新型功能材料和電子器件方面存在巨大的應用前景，因而人們對它產生了極大的研究興趣，已成為全世界的研究熱點，并給整個社會帶來不可估量的利益和影響。

諾貝爾獎獲得者的C60發現者之一R.E.Smalley稱：“碳納米管將是價格便宜，環境友好并為人類創造奇跡的新材料。”

現將碳納米管的可能應用領域簡單整理一下：

（圖5）

盡管碳納米管已取得巨大的應用與展示出不可估量的前景。但它也面臨著幾個問題，使得其不能真正的得到工業運用。一是，如何實現高質量碳納米管的連續批量工業化生產。碳納米管的制備現狀大致是：MWNTs能較大量生產，SWNTs多數處于實驗室研制階段，某些制備方法得到的碳納米管生長機理還不明確，對碳納米管的結構（管徑、管長、螺旋度、壁厚等）還不能做到任意調節和控制，影響碳納米管的產量、質量及產率的因素太多（如催化劑顆粒的大小、碳源的種類、溫度、混合氣體的種類及比例等），使制得的碳納米管都存在雜質高、產率低等缺點，還沒有高效的純化碳納米管的方法。二是，如何更深入研究碳納米管實際應用問題。例如，在常溫常壓下如何解析氫氣及加快其儲氫放氫速度。再如，如何提高碳納米管吸附容量的穩定性和吸附壓力的敏感性。再如，怎樣才能，制備出性能更為優異或能預期其性能的碳納米管復合材料。

另外，碳納米管對人體存在一定的毒性作用，目前研究主要集中在肺臟毒性和細胞毒性，表現為可引起肺臟炎癥、肉芽腫和細胞凋亡、活力下降、細胞周期改變等。其毒力大小與碳納米管的特性有關，如結構、長度、表面積、制備方法、濃度、劑量等，毒性作用機制可能與氧化應激有關。