碳纳米管的表面功能化修饰机理及方法研究

碳纳米管简介潘春旭＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝武汉大学 物理科学与技术学院地址：430072湖北省 武汉市 武昌区 珞珈山电话：027-8768-2093(H)；8721-4880(O)传真：027-8765-4569E-Mail: cxpan@；cxpan@个人网页：/cxpan＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝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。

按照石墨烯片的层数，可分为：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0.75～3nm和1～50μm。

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2～50不等，层间距为0.34±0.01nm，与石墨层间距(0.34nm)相当。

多壁管的典型直径和长度分别为2～30nm和0.1～50μm。

多壁管在开始形成的时候，层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷。

与多壁管相比，单壁管是由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。

无论是多壁管还是单壁管都具有很高的长径比，一般为100～1000，最高可达1000～10000，完全可以认为是一维分子图1 碳纳米管原子排列结构示意图2. 碳纳米管的独特性质1) 力学性能碳纳米管的抗拉强度达到50～200GPa,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。

探析碳纳米管改性方法1 前言自从1991年碳纳米管被Iijima发现以来，其凭借出众的力学、电学、热学、化学性能、极高的长径比（100—1000）以及纳米尺寸上独特的准一维管状分子结构，表现出运用在未来科技领域里所具有的巨大潜在价值，迅速成为物理、化学、材料科学领域里的研究热点。

碳纳米管是由很多碳原子组合在一起形成的石墨片层卷成的中空管体，根据其石墨片层数的不同，可分为单壁碳纳米管(SWNTs)和多壁碳纳米管(MWNTs)。

由于碳纳米管主要由碳元素组成，与聚合物的成分相似，所以可以使用CNT来增强聚合物纳米复合材料。

随着的生产CNT方法越来越简便，其价格也越来越便宜，这种方法相对于在聚合物中添加含碳填料来改善聚合物性能等传统方法，改性效果更好，市场需求更广，经济前景更乐观。

可以预见，在不久的将来CNT将会成为制备聚合物基复合材料的主要原料。

2 碳纳米管的处理由于其自身固有缺陷，碳纳米管从合成到被应用到复合材料中，需要经过纯化和表面改性两个过程。

2.1 碳纳米管的纯化目前合成碳纳米管的方法很多，但无论是经典的电弧放电法，还是新兴的水热法、火焰法、固相复分解反应制备法、超临界流体技术法制备成的碳纳米管都不可避免的被各种无定形碳颗粒、无定形碳纤维和石墨微粒等杂质附着，混杂在一起，影响其纳米粒子独有的小尺寸效应、界面效应、量子效应。

它们的化学性质也相似，不但给后续制备复合材料带来困难，而且使其性能的发挥受到很大的影响，所以必须进行纯化处理。

主要的方法是依靠碳纳米管和杂质对强氧化剂的敏感程度不一样，通过控制氧化剂的用量和氧化反应的时间来达到纯化的目的。

目前主要的氧化方法有：气相氧化法、液相氧化法、固相氧化法和电化学氧化法。

2.2 碳纳米管的改性经过纯化处理的碳纳米管仍然不能直接用来制备复合材料，由于它的惰性表面、管与管之间固有的范德华力、极大的比表面积和长径比，会使其在复合材料基体和溶液体系中产生非常严重的团聚与缠结，不利于创造良好的界面和在聚合物中的均匀分散及其优异性能的发挥。

第35卷第7期2007年7月化　工　新　型　材　料N EW CH EMICAL MA TERIAL S Vol 135No 17・37・基金项目:广东省自然科学基金(No.04300148)作者简介:周爱林(1980-),男,硕士研究生,主要研究方向:纳米材料的应用。

酸氧化处理对多壁碳纳米管表面基团的影响周爱林　王红娟3　傅小波　彭　峰　余　皓(华南理工大学化工与能源学院,广州510640)摘　要　120℃下用浓硝酸对多壁碳纳米管(MWCN Ts )进行不同时间的酸氧化处理,考察处理前后碳纳米管的形貌和元素变化,分析酸氧化处理MWCN Ts 表面功能基团的种类和含量。

结果表明:浓硝酸处理,可在MWCN Ts 表面产生不同数量的羧基、羟基和羰基含氧基团;在最初2h 内,羧基含量增加,羟基和羰基含量先增后减,含氧基团总量迅速增加;处理时间继续增加,羧基含量逐渐减少,羟基和羰基含量发生不规则变化,含氧基团总量趋于稳定;MWC 2N Ts 表面首先形成羟基和羰基,这些基团继续被氧化生成羧基,并且它们被氧化生成羧基的能力不同,生成的羧基可进一步氧化最终以CO 2释放出来;可通过控制浓硝酸处理的时间来控制MWCN Ts 表面含氧基团的种类和数量.关键词　多壁碳纳米管,功能基团,基团含量The influence of acid oxidation on the f unctional groups ofthe surface of multi 2w alled carbon nanotubesZhou Ailin Wang Hongjuang Fu Xiao bo Peng Feng Yu Hao (The School of Chemical and Energy Engineering ,Sout h China U niversty ofTechnology ,Guangzhou 510640)Abstract The multi 2walled carbon nanotubes (MWCN Ts )were refluxed by concentrated nitric acid at 120℃withdifferent time.The morphology and elemental component of concentrated nitric acid treated MWCN Ts were characterized.The f unctional group s and their amounts which were formed on the surface of the treated MWCN Ts were analyzed.The results indicated that oxygeneous f unctional groups ,such as carboxyl ,hydroxyl and carbonyl ,can been formed on the sur 2face of MWCN Ts treated by concentrated nitric acid.In the first 2h ,the amount of the carboxyl increasesd and the a 2mounts of hydroxyl and carbonyl increased first and then decreased and the total amount of f unctional group s increased quickly with the increased of the treatment time.With the treatment continue ,the amount of the carboxyl decreases and the amounts of hydroxyl and carbonyl vary irregularly and the total amount of f unctional group s almost arrived stable.The hydroxyl and carbonyl group s were firstly formed on the surface of the concentrated nitric acid treated MWCN Ts and then were oxidized into carboxyl groups.The ability of the hydroxyl and carbonyl groups being oxidized are different.The formed carboxyl group s can been f urther oxidized into carbon dioxide which was released.Thus ,the required oxygenous functional groups can been obtained by controlling the treatment time properly.K ey w ords multi 2walled carbon nanotube ,functional group ,the amount of group 碳纳米管(CN Ts )作为新型的纳米碳素材料,以其优异的物理、化学性能和独特的结构,在许多领域具有潜在的应用,但,因CN Ts 不溶于水和常见的有机溶剂,使其应用受到了很大的限制,因此,许多研究者对CN Ts 进行修饰以改善其溶解性能开展了大量研究工作[1]。

《碳纳米管在碳纤维表面的组装方法》一、引言碳纳米管（Carbon Nanotubes，简称CNTs）是一种由碳原子构成的纳米级管状材料，具有极强的韧性和导电性，因此在材料科学领域备受瞩目。

而碳纤维作为一种轻质高强度的材料，在航空航天、汽车制造和体育器材等领域有着广泛的应用。

将碳纳米管组装在碳纤维表面，不仅可以提升碳纤维的导电性能和力学性能，还可以拓展碳纳米管在材料领域的应用。

二、常见的碳纳米管组装方法1. 化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，CVD）CVD是一种常见的碳纳米管合成方法，其原理是在高温下将碳源气体分解生成碳原子，再沉积在基底表面形成碳纳米管。

在碳纤维表面组装碳纳米管时，可以先在碳纤维表面沉积金属催化剂，然后通过CVD方法在催化剂上生长碳纳米管。

这种方法不仅可以实现碳纳米管在碳纤维表面的组装，还可以控制碳纳米管的长度和密度。

2. 碳纳米管涂覆法碳纳米管涂覆法是将碳纳米管分散在溶剂中，然后通过喷涂、浸渍或涂覆的方式将碳纳米管均匀覆盖在碳纤维表面。

这种方法简单易行，且可以实现大面积的碳纳米管组装，但由于碳纳米管之间的相互作用，往往难以实现均匀的覆盖和优异的性能。

三、新型碳纳米管组装方法1. 电化学组装法电化学组装法是将碳纳米管分散在电解质溶液中，利用外加电场将碳纳米管定向沉积在碳纤维表面。

这种方法可以实现碳纳米管的定向组装，且不受碳纳米管之间相互作用的影响，因此可以获得均匀且高性能的碳纤维复合材料。

2. 等离子体处理法等离子体处理法是利用等离子体对碳纤维表面进行改性，同时将碳纳米管引入等离子体中，通过化学反应或物理吸附使碳纳米管与碳纤维表面结合。

这种方法不仅可以实现碳纳米管的高效组装，还可以改善碳纤维表面的性能，提升复合材料的综合性能。

四、碳纳米管在碳纤维表面的应用前景将碳纳米管组装在碳纤维表面，可以使普通碳纤维具备导电性和热传导性，进而拓展碳纤维在电子设备、热管理材料等领域的应用。

1 引言纳米材料是纳米技术的基础，而碳纳米管又可称为纳米材料之王。

碳纳米材料在纳米材料技术开发中举足轻重，它将影响到国民经济的各个领域。

碳纳米管的发现是碳团簇领域的又一重大科研成果，本文探讨了碳纳米管的结构、特性、活化方法，评述了这种纳米尺寸的新型碳材料在电化学器件、氢气存储、场发射装置、碳纳米管场效应晶体管、催化剂载体、碳纳米管修饰电极领域的应用价值，展望了碳纳米管的介入对全球性物理、化学及材料等学科界所带来的美好前景。

在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛(Iijima)在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Carbon nanotube”，即碳纳米管,又名巴基管。

1993年。

S.Iijima等和DS。

Bethune等同时报道了采用电弧法，在石墨电极中添加一定的催化剂，可以得到仅仅具有一层管壁的碳纳米管，即单壁碳纳米管产物。

1997年，AC.Dillon等报道了单壁碳纳米管的中空管可储存和稳定氢分子，引起广泛的关注。

相关的实验研究和理论计算也相继展开。

初步结果表明：碳纳米管自身重量轻，具有中空的结构，可以作为储存氢气的优良容器，储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。

适当加热，氢气就可以慢慢释放出来。

研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带式的储氢容器。

据推测，单壁碳纳米管的储氢量可达10%（质量比）。

此外，碳纳米管还可以用来储存甲烷等其他气体。

利用碳纳米管的性质可以制作出很多性能优异的复合材料。

例如用碳纳米管材料增强的塑料力学性能优良、导电性好、耐腐蚀、屏蔽无线电波。

使用水泥做基体的碳纳米管复合材料耐冲击性好、防静电、耐磨损、稳定性高，不易对环境造成影响。

碳纳米管增强陶瓷复合材料强度高，抗冲击性能好。

碳纳米管上由于存在五元环的缺陷，增强了反应活性，在高温和其他物质存在的条件下，碳纳米管容易在端面处打开，形成一个管子，极易被金属浸润、和金属形成金属基复合材料。

碳纳米管的独特工能及应用1985年，Kroto和Smalley[1]发现了一种直径仅为0.7nm的球状分子，被称为C60，亦称富勒烯(fullerene)。

这是继石墨和金刚石之后，碳的另一种同素异形体。

随后，日本NEC公司的Sumio．Iijima[2]在合成C60中，首次利用电子显微镜发现了CNTs(Carbon nanotubes)，又称巴基管(Bucktube)。

CNTs是一种类似石墨结构的六边形网格卷绕而成的、两端为半球形端帽、具有典型层状中空结构的材料。

根据石墨片层数的不同，CNTs可分为多壁碳纳米管(MWNTs)和单壁碳纳米(SWNTs)。

研究表明，CNTs的密度只有钢的1／6，强度却是钢的100倍，模量可达1．8 TPa。

CNTs是典型的一维纳米结构，其超强的力学性能、超大的长径比(一般大于1000)、极好的化学和热稳定性、良好的光电性能，使其具有广泛应用于生物传感器、储氢容器、超容量电容器、机电激励器、结构增强材料等方面的应用前景[3-4]。

CNTs长径比高、比表面大、比强度高、电导率高、界面效应强，因而具有优异的力学、电学、热学、光学性能．成为世界范围内的研究热点之一。

近几年来．随着CNTs合成技术的日益成熟．低成本批量生产CNTs已成为可能，并在场发射、分子电子器件、复合材料、储氢、吸附、催化诸多领域已经展现出其广阔的应用前景。

一、碳纳米管的结构CNTs是一种主要由碳六边形(弯曲处为碳五边形或碳七边形)组成的单层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米管状壳层结构，相邻层间距与石墨的层间距相当，约为0.34nm。

碳纳米管的直径为零点几纳米至几十纳米，长度一般为几十纳米至微米级，也有超长CNTs，长度达2mm。

按照石墨烯片的层数，可分为单壁CNTs和多壁CNTs。

(1)单壁CNTs(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0．75～3nm和1～50μm，又称富勒管(Fullerenes tubes)。

碳纳米管的特性及其分析应用摘要碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。

近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。

本文着重介绍碳纳米管的特性及其在仪器分析中的应用。

关键词：碳纳米管；特性；仪器分析I一、引言碳纳米管（CNT,又名巴基管，于1991年被日本电子公司（NEC的饭岛博士发现。

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。

由于其优异的力学、电学和光学特性，碳纳米管受到了越来越多的关注。

随着时间的推移，CNT的制备与表征手段越发完善，由CNT制成的各种产品技术也趋于成熟。

二、碳纳米管的制备方法其主要有三种制备方法：分别为电弧放电，激光蒸发法和碳氢化合物催化分解。

（一）电弧放电电弧放电是指一般情况下由两个电极和它们之间的气体空间所组成电弧能产生高温。

但又不同于一般的燃烧现象，它既没有燃料也没有伴随燃烧过程的化学反应。

电弧放电实质上是一种气体放电现象，在一定条件下使两极之间的气体空间导电，是电能转化为热能和光能的的一种过程。

该方法包括以下具体步骤：对碳纳米管直接施加电压和电流，进行电火花处理，去除碳纳米管表面的附着金属或氧化物催化剂和剥离沉积的非晶碳层，与此同时，切割、定向排列碳纳米管。

本技术所采用的电火花处理可在空气中进行，也可在惰性气氛中进行。

施加电压可为直流也可为交流，电压10〜10 0伏，电流0〜10安培。

本方法的优点在于能完全去除碳管表面用其它方法难以去除的非晶碳和金属杂质，达到纯化碳纳米管的目的；另外，此方法还可切割碳纳米管，获得定向排列的碳纳米管。

（二）激光蒸发法激光蒸发法是制备碳纳米管的一种有效方法•用高能CC2激光或Nd/YAG激光蒸发掺有催化剂的碳靶制备碳纳米管，管径可由激光脉冲来控制。

激光脉冲间隔时间越短，得到的碳纳米管产率越高，而碳纳米管的结构并不受脉冲间隔时间的影响。

碳纳米管的制备及其在催化领域的应用摘要：碳纳米管，是一种具有特殊结构的一维量子材料，具有优异的催化性能，其优异的催化性能主要是由碳纳米管具有的巨大的长径比、超大的比表面积、极高的热稳定性和化学惰性以及其独特的电导性能决定的，并且由于纳米粒子作为催化剂具有表面凸凹不平、表面能高、晶内扩散通道短、表面催化活性位多等优点，使碳纳米管在催化领域有极大的发展前景。

用本文主要讨论了碳纳米管的制备、结构及其性质，并简要介绍了碳纳米管在催化领域中的一些重要应用。

关键词：碳纳米管；制备方法；催化作用引言：人们对碳元素的认识经历了很长的时间，到目前为止，已经发现了很多不同种类的碳元素组成的物质。

在18世纪时,人们就已经确定了两种碳的同素异形体：石墨和金刚石。

到了1924年人们又确定了石墨的结构。

但仅仅是由单质碳构成的物质远不止这两种,在1985年，C60的发现使人们对碳的认识提高到了一个新的阶段。

后来日本电子显微镜专家S.Iijima于1991年在高分辨电子显微镜下检测C60时发现阴极炭黑中含有一些针状物,这些针状物是由纳米级的同轴碳原子构成的管状物,相邻两管的层间距约为0.34mn,近似于C60的半径。

Iiijma将它命名为碳纳米管。

碳纳米管，是一种具有特殊结构——其外径为1-50nm，长度为几μm-几百μm，管壁可以是单层、双层、多层的一维量子材料，它的管子两端基本上都封口，重量轻，六边形结构且连接完美，具有许多优异的力学、电学和化学性能。

虽然碳纳米管到目前为止仅被发现20几年,但它已经已经显示出巨大的应用前景并且已经广泛地影响了化学、物理、材料等众多科学领域。

本文将对碳纳米管的制备方法及其在催化领域中的应用做出重点介绍。

正文：一、碳纳米管的结构和形貌碳纳米管是由类似石墨的六边形网格所组成的管状物，其中每个碳原子和相邻的三个碳原子相连，形成六边形网格结构，因此碳纳米管中的碳原子以SP2杂化为主，但碳纳米管中六边形网络结构中会产生一定的弯曲，其中可形成一定的SP3杂化键。

材料化学专业科研训练题目:碳纳米管类导电材料设计班级学号:0809020203姓名:文利指导教师:孙苗哈尔滨理工大学化学与环境工程学院2011年01月12日材料化学专业科研训练摘要碳纳米管为一种新型材料，近年来引起了人们的广泛关注，国内外对其都有一定的研究突破。

本文综述了碳纳米管的研究进展，介绍了碳纳米管的各项性能以及其原理，重点说明碳纳米管的导电性能。

最后提出了设计思路以及可能存在的问题。

错误！未找到引用源。

目录摘要 (I)第1章绪论 (1)1.1 碳纳米管简介及发展史 (1)1.2 碳纳米管的分类 (2)1.3 碳纳米管的应用 (3)1.4 展望 (4)第2章 (6)2.1 碳纳米管的导电 (6)2.2 碳纳米管的活化 (8)2.3 碳纳米管的力学性能 (9)2.4 碳纳米管的传热 (10)2.5 碳纳米管的储氢 (11)第3章 (12)3.1 设计原理 (12)3.2 设计思路 (12)3.3 存在问题 (12)3.4 用途 (13)总结 (14)参考文献 (15)第1章绪论1.1碳纳米管简介及发展史在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛(Iijima)在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是碳纳米管。

现在被称作的“Carbon nanotube”，即碳纳米管,又名巴基管。

碳纳米管具有典型的层状中空结构特征,构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成。

管身由六边形碳环微结构单元组成, 端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。

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。

层与层之间保持固定的距离，约为0.34nm，直径一般为2～20nm。

碳功能材料的表界面调控和层次化构建碳功能材料具有广泛的应用前景，可用于能源存储、催化剂、传感器、电子器件等领域。

要充分发挥碳功能材料的性能，需要对其表界面进行调控和层次化构建。

本文将阐述碳功能材料表界面调控和层次化构建的意义、方法以及相关应用。

碳功能材料的表界面调控是指通过改变碳材料的表面性质来调整其物理、化学和电学性能。

具体包括表面修饰、掺杂、表面缺陷等手段。

通过这些方法可以增强材料的导电性、催化活性、气体吸附能力等，从而提高其应用性能。

在表界面修饰方面，一种常见的方法是通过化学修饰来改变碳材料的表面化学性质。

例如，可以使用化学还原剂将氧化石墨烯表面上的氧功能团还原，从而增加其导电性能。

另外，还可以将金属纳米粒子等功能材料沉积在碳材料表面，以实现催化或传感等特定功能。

掺杂是另一种常用的表界面调控方法。

通过在碳材料中引入杂原子，可以改变材料的能带结构和电子结构，从而调控其电学性能。

例如，通过氮掺杂可以使石墨烯具有更好的导电性能和催化活性。

表面缺陷是一种提高碳材料性能的有效手段。

一般来说，表面缺陷可以提供更多的活性位点，增强材料的化学反应能力。

例如，石墨烯的边缘碳原子和缺陷位点可以作为催化剂的活性中心，提高材料的催化性能。

除了表界面调控外，层次化构建也是实现碳功能材料优化的重要方法。

层次化构建是指将不同形态、尺寸或结构的碳材料组装在一起，形成复合材料。

这种构建方式可以实现不同级别的功能定制，从而提高材料的整体性能。

层次化构建可以通过多种方法实现，如物理混合、化学合成、界面结合等。

例如，将石墨烯和碳纳米管组装在一起可以形成石墨烯纳米管复合材料，极大地提高了电子传输速率和机械强度。

碳功能材料的表界面调控和层次化构建在能源存储、催化剂、传感器等方面具有广泛的应用。

在能源存储方面，碳功能材料的表界面调控可以提高材料的电化学性能，提高储能效率。

在催化剂方面，通过表界面调控可以增强催化活性和选择性，提高反应效率。

第52卷第7期 辽 宁 化 工 Vol.52，No. 7 2023年7月 Liaoning Chemical Industry July，2023基金项目： 重庆化工职业学院2021年度校级科研项目（项目编号：HZY2021-KJ06）。

收稿日期： 2022-11-21功能化纳米材料的表征技术研究进展陈德会，韩玉花*，李文丽（重庆化工职业学院，重庆 401228）摘 要： 化石燃料所排放的二氧化碳等污染性气体威胁着全球的生态环境。

因而开发高效低碳的环保材料将是实现“碳达峰”、“碳中和”的重要途径。

多功能纳米材料的研发及改性，也将是未来环境保护的必然趋势。

简介了多功能纳米材料在光电领域，食品药品，建筑等民生安全健康领域的应用，并概述了功能化纳米材料的主要表征技术如X 射线衍射、扫描电子显微镜、原子力显微镜、电子探针等其他表征方法的研究现状以及发展趋势。

阐明了随着更多新功能化纳米材料的发展，表征方法也变得越来越重要。

关 键 词：功能化纳米材料；表征技术；研究进展中图分类号：TQ150.9 文献标识码： A 文章编号： 1004-0935（2023）07-1032-03随着化石燃料的过度消耗而造成环境污染的问题日益明显，所以高效低碳的环保材料越多越多地受到大众的关注。

开发具有高催化活性、高稳定性的功能化纳米材料具有重要的意义。

近年来，功能化纳米材料作为新材料领域中重要的分支，被广泛应用于在光电领域、食品药品、建筑等民生安全健康领域具有了重要的应用价值[1-2]。

因此了解表面结构与性能之间的内在联系，对设计多功能纳米材料至关重要。

随着更多新功能化纳米材料的发展，表征方法也显得越来越重要，通常建议同时采用多种表征手段进行综合分析。

1 功能化纳米材料的表征方法1.1 X 射线衍射（XRD）X 射线衍射是检测材料晶体类型和基团晶体类型重要手段。

林展鸿等[3]向聚(脲-氨酯)基体中添加四氧化三铁纳米粒子和碳纳米管。

碳纳米管概述1、碳纳米管的结构1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家Iijima[22]在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子，这就是现在被称作的“Carbon Nanotubes”，即碳纳米管(CNTs)，又名巴基管碳.纳米管是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸可达微米量级）的一维量子材料，具有典型的层状中空结构特征，一般管的两端有端帽封口．碳纳米管的管身是准圆管结构，由六边型碳环结构单元组成，端帽部分为含五边形和六边形的碳环组成的多边形结构[23]．碳纳米管可以只有一层也可以有多层，分别称为单层碳纳米管和多层碳纳米管．由于其独特的结构，碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值，如：其独特的结构是理想的一维模型材料；巨大的长径比使其有望用作坚韧的碳纤维，其强度为钢的100倍，重量则只有钢的1/6；同时它还有望用作为分子导线，纳米半导体材料，催化剂载体，分子吸收剂和近场发射材料等．科学家们还预测碳纳米管将成为21世纪最有前途的纳米材料，以碳纳米管为材料的显示器将是很薄的，可以像招贴画那样挂在墙上．碳纳米管依其结构特征可以分为三种类型：扶手椅型纳米管，锯齿型纳米管和手性纳米管．按照是否含有管壁缺陷可以分为：完善碳纳米管和含缺陷碳纳米管．按照外形的均匀性和整体形态，可分为：直管型，碳纳米管束，Y型等．2、碳纳米管的性能由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化，相比SP3杂化，SP2杂化中S轨道成分比较大，使碳纳米管具有高模量和高强度．碳纳米管具有良好的力学性能，CNTs抗拉强度达到50～200GPa，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；它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍．对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约800GPa．碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定得多．碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料．若以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料，可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，给复合材料的性能带来极大的改善．碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域π键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特殊的电学性质．碳纳米管具有良好的导电性能，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．理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角．当CNTs的管径大于6nm时，导电性能下降；当管径小于6nm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线．有报道说Huang通过计算认为直径为0.7nm的碳纳米管具有超导性，尽管其超导转变温度只有1.5×10-4K，但是预示着碳纳米管在超导领域的应用前景[24]．碳纳米管具有良好的传热性能，CNTs具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料．另外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管，该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善．3、碳纳米管的改性方法尽管碳纳米管有其优异的综合性能，但是因为碳纳米管具有较大的比表面积及表面自由能，管与管之间易团聚形成带有若干弱连接界面且尺寸较大的团聚体，从而在有机溶剂中的分散性较差，这些缺点限制了它的进一步广泛应用．特别是对于聚合物/碳纳米管复合材料而言，这些团聚体很难被分散开，容易形成应力集中点，从而导致材料的性能下降．同时碳纳米管与大多数聚合物相比，亲和性比较差，而且界面结合较弱．为了解决这些问题，我们必须对碳纳米管进行改性．改性的主要目的是降低它的表面能，提高它与有机相的亲和力．目前碳纳米管改性的方法通常分为两大类:一类是共价键改性，另一类是非共价键改性．本课题中共价键合CNT修饰一般是在CNT表面进行ATRP、NMP、RAFT及离子聚合等活性聚合、自由基聚合或化学改性以获得聚合物共价修饰的碳纳米管．非共价修饰CNT则主要基于聚合物和CNT间的三种不同相互作用方法展开研究：π-π作用，静电作用，物理包覆．聚合物修饰不仅改善了碳纳米管的分散性能，还赋予碳纳米管新的性能．3.1 碳纳米管表面共价键改性碳纳米管表面的共价功能化修饰的其中一种方法是对其侧壁进行氟化研究．被功能化的碳纳米管表面的氟原子可以通过亲核取代反应被取代，开辟了一条将不同的官能团引入到碳纳米管两端和表面的新路径．在碳纳米管修饰过程中的另一个突破性的发现就是浓酸氧化法，其方法是利用超声条件，在一定量浓度硝酸和硫酸的混合溶液中，使碳纳米管上修饰了羧基．这样剧烈的条件可以使碳纳米管的顶端以及管壁氧化开环，伴随着开环过程的发生，最终所得碳纳米管产物长度在100到300nm范围，管壁和顶端都修饰了一定密度的官能团，其中主要以羧基为主．在稍微弱一点的酸性环境中，比如在稀硝酸中回流，可以减少碳纳米管的断裂，开环主要发生在具有缺陷的位置，修饰后的碳纳米管依旧保持原有的电学和机械性质．对碳纳米管进行共价修饰通常可以利用碳纳米管表面的羧基．3.2 碳纳米管表面非共价改性碳纳米管管壁由SP2碳原子构成，具有高度离域的π电子体系，这些二电子可以与含有π电子的其他化合物通过π-π键作用来形成功能化的碳纳米管，同时疏水部分的相互作用及超分子包合作用也是非共价功能化的主要机理．通常碳纳米管的物理改性是在超声作用下，表面活性剂或聚合物等分子的疏水部分与疏水的管壁相互作用，而亲水部分与水等极性溶剂相互作用，从而阻止了碳纳米管在溶剂中的团聚．非共价功能化碳纳米管有其独特的优点：①不损伤碳纳米管的π电子体系；②有望将碳纳米管组装成有序网络．3.2.1 表面活性剂法在两性分子表面活性剂存在的条件下，可以制备出水溶性的碳纳米管．表面活性剂的憎水基团会在碳纳米管表面按一定的方向排列，而极性亲水性基团会在碳纳米管外表面与溶剂分子相互作用．M.F.Islam等发现通过十二烷基苯磺酸钠(NADDBS)、辛基苯磺酸钠(NAOBS)、苯甲酸钠(NABBS)、十二烷基硫酸钠(SDS)等表面活性剂物理吸附作用可以制备出水溶性碳纳米管．而且发现苯环和碳纳米管间的π-π配位作用可以增加表面活性剂在碳纳米管中的物理吸附能力；当端基相同时，烷基链较长的表面活性剂具有更好的吸附能力．范凌云等采用阴离子改性剂十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠在乙醇溶液中对碳纳米管表面进行改性处理，考察了不同表面改性剂对．PMMA/MWCNTs复合材料电性能的影响．研究发现经表面改性处理后的MWCNTs团聚体有了较大的改善，改性后的MWCNTs在复合材料中分散比较均匀，较大地改善了聚合物的电性能．3.2.2 聚合物包裹法通过π键作用，许多大分子质量的高聚物分子链能够缠绕、包覆碳纳米管表面，降低碳纳米管的范德华力，从而增加碳纳米管在溶剂中的溶解度．Curran等[25]测量了通过π-π相互作用的PmPv-MWCNTs复合材料的发光和光致导电性质．结果表明，其导电性较碳纳米管高8-10个数量级，并能提高发光二极管在空气中的稳定性．Connel等[26]通过非共价连接聚乙烯毗咯烷酮(PVP)和聚苯乙烯磺酸盐(PSS)于SWCNT上，实现了线型聚合物功能化，使其可溶于水．这类聚合物可紧密均匀的缠绕在SWCNT侧壁．实验证明，这种功能化的热力学推动力在于聚合物破坏了碳纳米管的疏水界面，消除了SWCNT集合体中管与管间的作用，通过改变溶剂系统还可以实现去功能化操作．因此线型聚合物的SWCNT 功能化方法可用于它的纯化分散，并可把SWCNT引入生物等相关体系．Star等制备了聚间苯亚乙烯衍生物，并用其对SWCNT进行非共价功能化修饰，然后用紫外-可见光(UV-Vis)、核磁(NMR)进行了表征，UV-Vis谱图表明，PmPv己经缠绕在碳纳米管表面，NMR谱图的共振位置也更加明确地解释了功能化的结合位置．他们进一步用原子力显微镜(AFM)对单根功能化SWCNT束进行了光电导及双光子荧光实验，结果表面，PmPV衍生物与碳纳米管表面之间接触紧密，功能化产物是聚合物缠绕的SWCNT束，而不是聚合物包覆的单根SWCNT后聚集成的束．3.2.3 双亲性聚合物改性碳纳米管两亲性聚合物是指在一个大分子中同时含有亲水基团和疏水基团的聚合物．两亲性聚合物具有独特的性能，如pH温度响应，自组装特性等，因此在众多领域具有潜在的应用前景．利用两亲性共聚物的自组装特性，将其与碳纳米管(CNT)结合，可赋予碳纳米管更加优异的性能．这些材料将在信息、生物医学、催化等领域得到重要应用．4、碳纳米管研究现状及发展前景谢续明等[27]利用苯乙烯类聚合物对分散碳纳米管进行了研究，如果以响应性聚合物修饰CNT则可以赋予CNT特定功和响应性．通常聚合物分散碳纳米管都在有机溶剂体系进行，溶剂的挥发性对人有伤害，且分散CNT长期稳定性欠佳．Hudson等[28]人制备了水溶性的碳纳米管，使得碳纳米管在水中分散稳定性得到明显提高．美国明尼苏达大学的Kang 和Taton等人[29]尝试在水溶液中设计新的方法分散CNT，用双亲性嵌段大分子PSt-b-PAA组装胶束来稳定碳纳米管，随后在胶束稳定的CNT溶液中加入交联剂使胶束发生交联进一步稳定CNT．这些研究解决了CNT 在水相的分散稳定问题，但在CNT外围富集的水溶性聚合物链使其电性能下降[30-31]，影响其进一步的应用；而嵌段共聚物规模化制备较困难，外加交联剂使得体系复杂化．碳纳米管具有两个优异的电学性能即场发射性质和二重电性质．由于碳纳米管顶端可以做得极为尖锐，因此可以在比其它材料更低的激发电场作用下发射电子，并且由于强的碳碳结合键使碳纳米管可以长时间工作而不损坏，具有极好的场致电子发射性能，这一性能可用于制作平面显示装置使之更薄、更省电来取代笨重和低效的电视和计算机显示器，碳纳米管的优异场发射性能还可使其应用于微波放大器真空电源开关和制版技术上，单层碳纳米管还可以用作传感器．当半导体性的单层碳纳米管暴露于含有NO2或NH3的气氛中时其导电性会发生急剧变化，通过这种效应可以探测这些气体在某些环境中的含量，这种传感器的灵敏度要远远高于现有室温下的探测器．总之，碳纳米管在电子材料领域有广阔的应用前景．。