碳纳米管的应用研究

碳纳米管的应用研究

王代懿;潘娟

【摘 要】碳纳米管因其独特的力学、电学及化学特性,具有广阔的应用前景和商业开发价值.研究对碳纳米管近年来在众多领域中的应用进行了总结和评述,并展望了碳纳米管的几种应用前景及其发展潜力,为碳纳米管的进一步开发应用提供了参考依据.

【期刊名称】《凯里学院学报》

【年(卷),期】2018(036)003

【总页数】6页(P28-33)

【关键词】碳纳米管;纳米;应用;性能

【作 者】王代懿;潘娟

【作者单位】凯里学院,贵州凯里556011;凯里学院,贵州凯里556011

【正文语种】中 文

0 前言

自1991年日本科学家饭岛澄男发现碳纳米管以来[1]，碳纳米管就因其独特的准一维结构、优异的物理、化学、理学、电学、热学及光学性能引起了人们的广泛关注，并得到了快速的发展.随着碳纳米管制备和合成技术的日益成熟及碳纳米管和纳米材料研究的不断深入，有关碳纳米管及其复合材料的应用研究工作也取得了很多重大进展，低成本大量合成碳纳米管已经成为可能，其广阔的应用前景也不断显现出来.本文对碳纳米管在生产和应用领域取得的成果进行了总结和评述，旨在为碳纳米管的进一步开发应用提供参考依据.

1 碳纳米管的应用

目前，碳纳米管最具潜力的应用是在电子和复合材料领域.在电子领域，它可作为超级电容器、电子传感器、场发射平面显示器、锂离子电池等的制造材料；在复合材料领域，它可应用于聚合物、金属、陶瓷等新型复合材料的制备.同时，碳纳米管在催化剂领域也获得了深入的研究和应用，另外还可作为特殊的吸附剂应用于环境修复及燃料汽车氢的储存等.

1.1 电子领域的应用

1.1.1 超级电容器电极

碳纳米管具有独特的中空结构、高比表面积和良好的导电性能，被认为是超级电容器理想的电极材料，能够显著提高超级电容器的功率特性.从1997年Niu等[2]首次提出将碳纳米管应用于电容器中以来，碳纳米管便一直是超级电容器电极材料领域的研究热点.多壁碳纳米管和单壁碳纳米管均可直接用作超级电容器的电极材料，但其成本高，比容低，比表面积比活性炭低，因而常用KOH、CO2或空气等对其进行化学或物理活化，或将碳纳米管与金属氧化物、导电聚合物复合，所得复合材料可同时发挥两者的优势，得到高性能的电极材料.如Jiang等[3]、邓梅根等[4]、Li等[5]就分别对碳纳米管进行了KOH化学活化处理，结果发现活化碳纳米管的比表面积增大，比容量比活化前高出了1～2倍.

1.1.2 传感器

碳纳米管传感器成本低、能耗低，具有良好的灵敏度和可选择性，在气体传感器方面被广泛地应用，可实现对N02、O2和NH3等多种气体的现场检测和远程监控[6 - 7].碳纳米管气体传感器比金属氧化物半导体传感器和固态电解质传感器有更快的反应速度和更好的灵敏性，而且在室温下就能工作，符合传感器反复使用的原则[8].Dekker等[9]和Kang等[10]先后报道了一些新型生物传感器，展示了碳纳米管作为碳纳米电极在电化学研究中的广阔前景.

1.1.3 扫描隧道显微镜和原子力显微镜针尖

1996年，诺贝尔化学奖得主Smalley的研究小组首先成功地制备出用于扫描隧道电子显微镜的碳纳米管针尖[11]，近年来，碳纳米管针尖的制备方法不断得到改进和完善，在继扫描隧道显微镜针尖的应用后，相继应用于做原子力显微镜和静电力显微镜的探针.与传统的Si或Si3N4探针相比，碳纳米管探针具有更高的分辨率和针尖长径比，因而能够探测出距表面较深的狭缝内部的结构和形貌.同时，碳纳米管探针具有更高的机械柔软性，能承受反复的弹性弯曲变形，有更长的使用寿命，且可以最大限度避免样品的损坏[11 - 12]，这对柔软的生物样品特别有利，因此被广泛应用于生物样品的分析.碳纳米管探针基于上述这些优势，通过其针尖可以获得高分辨率的分子结构图像，这使得在生物医学研究方面，从细胞到生物大分子的分子水平上的实时动态研究得以实现.

1.1.4 场发射材料

场发射性质是碳纳米管最优异的电学性能之一，碳纳米管的端口非常细小且极为稳定，十分有利于电子的发射.这种极佳的场发射性能将使碳纳米管有望取代目前正在使用的其它电子发射材料，成为下一代平板显示器的场发射阴极材料，另外还可以进一步应用于军用领域的显示面板系统和瞄准与显示系统.

1.1.5 锂离子电池

自1990年以来，锂离子电池因其电压高、无记忆效应、无环境污染等优点得到广泛地商业化应用.实验表明：相对于上一代锂离子电池的负极材料石墨，碳纳米管作为添加剂或者单独用作锂离子电池的负极，具有更高的可逆容量，且碳纳米管稳定性和循环性好，能显著提高锂离子电池的放电容量，改善锂离子电池的性能

[13]. 1.1.6 电子器件

碳纳米管的直径和螺旋度决定了其电子结构既可以是金属性质，也可以是半导体性质，因此它可以作为功能电子器件、最小的半导体装置、微型电路的导线、逻辑门和线路的连接件及纳米级的晶体三极管应用于微电子器件.Postma[14]等人研制的单电子三极管在室温下就具有单电子传输特性.而且碳纳米管独特的结构不仅可做成分子导线，还可作为生产分子导线的模具，用于制作分子级开关和半导体器件[15].

1.2 催化剂载体及催化剂方面的应用

1.2.1 催化剂载体

碳纳米管在催化方面主要是用作载体，由于其自身具有较大的比表面积和较小的管径尺寸，使得它的表面活性位置增加，再加上其良好的稳定性和独特的吸附性质、电子性质以及其限域作用等 [16]，现在已成为理想的催化剂载体材料.碳纳米管作为催化剂载体在催化领域应用的报道很多，如Serp等[17]对活性炭和碳纳米管担载的双金属催化剂的催化加氢反应性能进行了比较，结果表明碳纳米载体由于具有介孔结构，因而传质阻力比较小，在反应中的活性高于微孔结构的活性炭；Nakamura等[18]将Pt纳米粒子担载于氧化后的碳纳米管上，使燃料电池中贵金属催化剂Pt的用量减少了60%，成本降低了大约40%；Lu等[19]研究了不同碳载体担载的Ru催化剂的氨分解催化活性，结果发现石墨化程度对于催化活性的影响较碳载体的比表面积更为重要，而碳纳米管由于具有较高的石墨化程度，担载的Ru催化活性明显高于以炭黑、介孔碳或活性炭为载体的催化剂.

研究发现置于碳管内的金属纳米粒子的氧化速率将会明显减缓[20]，并且比担载在活性炭上的粒子在反应中表现出更高的选择性、活性以及更高的产物转化率[21].但由于碳纳米管在制备、纯化和填充等方面存在诸多困难，因此目前所研究的多数催化剂是担载在碳纳米管外部的[22 - 23]. 1.2.2 催化剂

碳纳米管催化剂主要应用于涉氢的催化反应中[24 - 25].由于碳纳米管主要以粉末形式存在，在工业上应用时容易阻塞床层，给催化剂添装、卸载等带来困难，因此Schlögl等[26]研发了具有宏观形状的碳纳米管整体式催化剂，可以消除上述不利影响.

1.3 复合材料方面的应用

碳纳米管具拉伸强度大、质量轻、延伸率高、长径比大的特性，是复合材料理想的增强体.作为增强体的碳纳米管复合材料主要有碳纳米管/聚合物复合材料、碳纳米管/金属基复合材料和碳纳米管/陶瓷基复合材料[27 - 29]三类.

徐洪军等[30]通过共价键将烷基胺接合于碳纳米管表面，然后与环氧树脂进行复合，测试结果发现仅仅加入质量分数为1%功能化修饰的碳纳米管，环氧树脂的断裂韧性就提高了35%，这与Kim等[31]的研究结果相符.Lee等[32]用质量分数均为1%的未处理碳纳米管、酸化碳纳米管和硅烷化碳纳米管，分别制备碳纤维/碳纳米管/环氧树脂三相复合材料，测试结果显示硅烷化碳纳米管制备的复合材料的弹性模量及抗拉强度比其余2种材料高出8.4%～15.8%，同时热性能和电学性能均有所提高，表明硅烷化促进了碳纳米管在环氧树脂中的分散作用，增强了碳纳米管与环氧树脂在碳纤维/环氧树脂三相复合材料中的界面相互作用，因而改善了复合材料的整体性能.

碳纳米管与金属基复合材料相辅相成，赋予了复合材料优异的性能.Li 等[33]、Dong 等[34]、Kondoh等[35]分别研究了碳纳米管与铁基、镍基、铜基、镁基等金属基体复合材料的性能，发现其在提高复合材料韧性、热稳定性、电阻、强度、硬度等方面都有积极作用.

陶瓷材料最大的缺陷是其具有很强的脆性，但在陶瓷材料中添加一定量的碳纳米管后可以很好地解决其脆性问题，同时还能够提高陶瓷材料的热学性能.Padture等[36]深入地研究了碳纳米管增强陶瓷基复合材料的机理后认为，碳纳米管对基体晶界周围的包裹作用提高了该类复合材料的强度、硬度和电导率等，从而降低了其脆性.

鉴于碳纳米管复合材料的优良性能，如今其已被广泛应用于船舶、汽车(保险杠和刹车片)、文体用品、建材(水泥复合材料)、航空航天等行业.此外，因其具有高强度、抗静电、重量轻等特点，碳纳米管复合材料还被用于制备防弹衣和太空服.

1.4 特殊吸附剂方面的应用

1.4.1 吸附水中污染物

近年来，碳纳米管在环境工程应用中的研究主要集中于对有机化合物的吸附[37 -

38]和多种重金属离子如 Pb2+、Cd2+、Cr6+、Cu2+、Zn2+、Co2+、Hg2+、As3+、Ni2+等的去除[39 - 42].Peng等[43]于2003年首次研究了多壁碳纳米管对水体中有机污染物1,2-二氯苯的去除效果，发现碳纳米管对1,2-二氯苯的吸附平衡时间远短于活性炭，吸附效果则优于活性炭，且在pH值3到10的范围内都能稳定吸附.

但碳纳米管在重金属污水处理的实际应用中尚存在一些问题，主要表现在两方面：一是碳纳米材料不易回收，二是其对某些重金属离子的吸附能力有限.为解决这些问题，不少学者将纳米金属氧化物固载到碳纳米管复合材料上，这样既显著提高了碳纳米管对重金属离子的吸附能力[44 - 45]，又解决了碳纳米材料去除水中重金属离子后不易回收的难题[46 - 47].

1.4.2 储氢材料

氢气是一种高效、无污染、可回收利用的新型清洁能源，对其进行开发和利用对缓解能源危机和环境保护方面具有重大的现实意义.目前常用的储氢方法主要是高压储氢和液化两种，但前者储氢容量小并有爆炸的危险，后者则成本太高，因此科学家们也一直在寻找能够在常温下大量储氢的方法.碳纳米管凭其具有小尺寸、中空结构、大比表面等独特的特征，成为最有潜力的储氢材料.

Stobinski等[48]在不同温度条件下测定了碳纳米管对氢分子的吸附量，结果显示，氢分子主要吸附在碳纳米管的内表面，因而影响碳纳米管吸附行为的是其结构和环境温度等因素，如将碳纳米管由直线型改变成异型或者降低温度，均可提高碳纳米管对氢分子的吸附能力.此外，通过在碳纳米管中掺杂纳米金属粒子可将氢分子挤进碳纳米管壁中，能显著增大其储氢容量.Zacharia等[49]通过对掺杂了金属钒粒子和钯粒子的碳纳米管的储氢能力的实验发现，掺了金属粒子的碳纳米管不仅吸氢速率加快，而且储氢量比对照增加了约30%.可见，碳纳米管的结构、环境温度及其复合金属离子种类均影响其对氢分子的吸附能力.

1.5 吸波材料方面的应用

碳纳米管具备特殊的电磁效应、螺旋结构及手征性，是一种理想的微波吸收剂，比传统的吸波材料吸收性能更能强、频带兼容性更优秀、材料更轻薄、稳定性更好，因而日渐展现出其广阔的应用空间.目前碳纳米管可用于隐形材料、电磁屏蔽材料和暗室吸波材料[50]，现在与有机聚合物复合制备的吸波复合材料已是第五代隐形飞机及其他飞行器的重要隐形涂料之一.