碳纳米管表面处理对储氢性能的影响

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。

储氢材料摘要：作为一种新型的清洁能源，氢的廉价制取、安全高效储存与运输及其模型应用，将是今后研究的重点。

本文介绍了储氢材料的结构、性能、制备及应用；展望了储氢材料的发展趋势。

关键字：氢；储氢材料；清洁能源1引言随着传统能源的日渐枯竭，致使人类面临着能源、资源和环境危机的严峻挑战，同时人们环保意识的日益增强，开始大力寻找新的洁净能源己成为科研工作的焦点[l]。

在这些过程中，氢以其独有的优点逐渐得到人们的公认。

氢作为洁净能源具有以下优点：(l) 氢的燃烧产物是水，对环境不产生任何污染；(2) 氢可以通过太阳能、风能等分解水而再生，是可再生能源；(3) 燃烧1g氢放出的热量是等量汽油的3倍左右；(4) 氢资源丰富，可通过水、碳氢化合物等电解或分解生成。

由此可见，氢是一种清洁，高效的能源，在未来有着广阔的应用前景。

在氢能利用过程中，有两个重要的方面，即氢能的制备和储运。

在氢能的制备方面：人类通过利用太阳能光解海水可以制得大量的氢；故氢的储存和运输是其发展和应用中遇到的难点之一。

2 氢的存储标准与现状“储氢材料”顾名思义是一种能够储存氢的材料。

衡量储氢材料性能的标准主要有2个：体积储氢密度(kg/m3)和储氢质量分数(%)。

体积储氢密度为系统单位体积内储存氢气的质量，储氢质量分数为系统储存氢气的质量与系统质量的比值。

另外，充放氢的可逆性、充放气速率及可循环使用寿命等也是衡量储氢材料性能的重要参数[2]。

和其它物质一样，氢的存在状态也是固态、液态、气态。

气态时存储方式较为简单方便，也是目前储存压力低于17MPa氢气的常用方法。

但其密度较小，体积大；由于是易燃气体在运输和使用过程中存在安全隐患是该方法的不足之处。

液态储氢方法的体积密度高(70kg/m3)，但氢气的液化需要冷却到20K的超低温下才能实现，此过程消耗的能量约占所储存氢能的25%~45%。

液态氢不仅储存成本高，而且使用条件苛刻，目前只限于在航天技术领域中应用。

碳纳米管的 Nhomakorabea学性能：
研究碳纳米管的发光性质从其发光位置着手 研究。单壁纳米碳管的发光是从支撑纳米碳管的 金针顶附近发射的，并且发光强度随发射电流的 增大而增强；多壁纳米碳管的发光位置主要限制 在面对着电极的薄膜部分，发光位置是非均匀的， 发光强度也是随着发射电流的增大而增强。碳纳 米管的发光是由电子在与场发射有关的两个能级 上的跃迁而导致的。研究表明单壁纳米碳管的光 吸收随压力的增大而减弱，其原因在于压力的变 化会导致纳米碳管对称性的改变。
碳纳米管的性质与应用
应化0804 报告人：赵 开
主要内容
碳纳米管的简介
碳纳米管的性质
碳纳米管的应用 碳纳米管的展望
碳纳米管的简介
碳纳米管（CNT）是碳的同素异形体 之一，是由六元碳环构成的类石墨平面卷 曲而成的纳米级中空管，其中每个碳原子 通过SP2杂化与周围3个碳原子发生完全键合。 碳纳米管是由一层或多层石墨按照一定方 式卷曲而成的具有管状结构的纳米材料。 由单层石墨平面卷曲形成单壁碳纳米管 （SWNT），多层石墨平面卷曲形成多壁碳 纳米管（MWNT）。
碳纳米管的展望
由于碳纳米管具有非常好的性能，其 尺寸又处于纳米级，因而具有很好的应用 前景，受到了多个领域研究者的广泛关注。 随着其应用研究的进展，势必引起一场科 技革命的新突破，并带动一系列相关高科 技产业的兴起与发展。在不久的将来，基 于碳纳米管的多种现代化产品将会真正进 入我们的生活，对社会的发展势必将起到 极大的推动作用。
碳纳米管在电磁学领域的应用：
碳纳米管具有良好的导电性，是一种可用于制备修饰 电极和电化学传感器的优良材料。将碳纳米管对传统电极 进行修饰可以降低氧化过电势，增加峰电流，从而改善分 析性能，提高方法选择性和灵敏度。因此，碳纳米管作为 修饰电极材料已广泛应用于分析化学领域。利用碳纳米管 的场致电子发射性能可用于制作平面显示装置，使之更薄、 更省电，从而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，可用于大规模集成电路、超导 线材、超电容器，也可用于电池电极和半导体器件。碳纳 米管的直径比以往用的针尖小得多，用碳纳米管作为扫描 探针能大大提高其分辨率。利用碳纳米管的金属导电性和 半导体性能，碳纳米管还被用于制作分子级开关、半导体 器件等。

材料科学与化学工程学院
储 氢 材 料
The brief introduction of hydrogen storage materials
什么是储氢材料？
在一定的温度和压力条件下，能 可逆地吸收和释放氢气的材料，可 作为储氢材料。
储氢材料应具备的特点： 1、低释氢温度
2、吸收—放氢过程可逆
3、材料稳定，安全，无毒，低成本
储氢合金按组成元素的主要种类分为：镁系、稀土系、
钛系、锆系、铁系五大类。
按主要组成元素的原子比分为:AB5型、AB2型、AB 型、
A2B型，其中A是容易形成稳定氢化物的发热型金属元素，B 为难于形成氢化物的吸热型元素，且A原子半径大于B原子半 径。 A如：Ti、Zr、La、Mg、Ca、 Mm（混合稀土金属）等。
单壁纳米碳管束TEM 照片
多壁纳米碳管TEM 照片
2.2.2 碳纳米管材料的制备及研究方法 制备方法 电弧法 气相沉积法
低分子化合物
加载气（H2） 金属微粒催化剂
气相生长
1000~1400°C
碳纤维（或纳米管） 石墨化
2000~3000°C
表面处理
产品
石墨纤维 （或纳米管）
研究方法
有机液态氢化物主要包括苯、甲苯、萘等，人们现在主 要用苯及甲苯来储氢。
有机液体氢化物储氢的优、缺点
有机液体储氢技术与传统的储氢技术(深冷液化、金属氢化 物、高压压缩)相比具有以下优点：
①储氢量大 苯和甲苯的理论储氢质量分数分别为7.19%和 6.18%,比传统的金属氢化物、高压压缩的储氢量大得多。
MOF-5的吸附等温线78K
MOF-5的吸附等温线298K
温度、压力对其储氢性能的影响

纳米管（MWNT）
1992 前苏联科学家也独立发现了碳纳米管，但结果发表在俄语杂志上 ➢ 1993 Iijima (NEC, Japan)和Bethune (IBM, USA)的研究组各自独立发现了
单壁碳纳米管（SWNT）
➢ SWNT
结构
管壁由单石墨片层卷绕而成，两侧由富勒烯半球封端 根据卷绕方式（n, m）的不同，SWNT可分为
CNT
性 能（续）
➢ 力学性能
杨氏模量 1~5 TPa，与石墨片层相当(1.06TPa)，
比碳纤维高一个数量级，约为钢的100
倍， 而密度仅为钢的1/6
拉伸强度 10~150GPa，石墨片层为36.5GPa，拉伸形变至40％无明显脆性行为、塑性
形变和断裂
MWNT tensile test
✓ armchair n = m ✓ zigzag n = 0 ✓ chiral n ≠ m, m ≠ 0 根据电子结构的不同，SWNT可分为 ✓ 金属性 (n-m)/3为整数 ✓ 半导体性 (n-m)/3为非整数
单石墨片层
armchair型SWNT
zigzag型SWNT
chiral型SWNT
➢ MWNT
电阻率 0.05 µΩ.m ~ 10 mΩ.m 电流密度 1010 ~ 1013 A/m2
AFM image
CNT电性能测试装置（左） 电性能测试结果（右）
性 能（续）
➢ 热性能
热稳定性 真空环境可耐温至2800oC，空气中700oC 热导率 理论值6000W.(m.K)-1；实验值3000W.(m.K)-1
碳纳米管
Carbon Nanotubes, CNTs
太空电梯 － 未来的地球-太 空班车
CNT-based Cable

碳纳米管及其应用新领域摘要：综述了碳纳米管材料独特性能及其应用潜力，详细说明了碳纳米管材料在各种应用领域中的巨大应用前景，包括高强度复合材料、微机械、信息存储、纳米电子器件等。

关键词：碳纳米管的性能，碳纳米管的应用新领域，储氮材料，复合材料，信息存储，碳纳米电子学前言：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。

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。

一、碳纳米管的性能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。

力学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、高强度。

碳纳米管具有良好的力学性能，碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。

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。

若将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。

导电性能碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域n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。

对于一个给定的纳米管，在某个方向上表现出金属性，是良好的导体，否则表现为半导体。

对于这个的方向，碳纳米管表现出良好的导电性，电导率通常可达铜的1 万倍。

特点：产量很低，仅局限在实验室中应用， 不适于大批量连续生产。
(B)热解法：这种方法也很简单，将一块基板放 进加热炉里加热至600℃，然后慢慢充入甲烷 一类的含碳气体。气体分解时产生自由的碳原 子，碳原子重新结合可能形成碳纳米管。
优点：最容易实现产业化，也可能制备很长的 碳纳米管。
缺点：制得的碳纳米管是多壁的，常常有许多 缺陷。与电弧放点法制备的碳纳米管相比，这 种碳纳米管抗张强度只有前者的十分之一。
初步估算，碳纳米管的强度大概是钢的100倍。 Lieber运用STM技术测试了碳纳米管的弯曲强度， 证明碳纳米管具有理想的弹性和很高的硬度。因此 用碳纳米管作为金属表面上的复合镀层，可以获得 超强的耐磨性和自润滑性，其耐磨性要比轴承钢高 100倍，摩擦系数为0.06～0.1，且还发现该复合镀层 还具有高的热稳定性和耐腐蚀性等性能。
（C）浓硝酸氧化法
将碳纳米管加入到浓硝酸中搅拌，超声波分散 后加热回流处理。自然冷却后用蒸馏水稀释、 洗涤至中性，经真空干燥、研磨后既得到纯化 处理的碳纳米管[14]。
优点：经过适当浓度硝酸氧化处理一定时间的 CNTs，其基本结构未发生本质变化，而表面 活性基团显著增加，在乙醇中分散浓度、均匀 性、稳定性得到提高，在复合材料中的分散均 匀性及与树脂的结合性能也得到相应提高。硝 酸氧化处理是CNTs表面活化的有效方法。
中美科学家在研究中对合成碳纳米管常用的化 学气相淀积方法进行了改进。改进结果显示，在化 学气相淀积过程中加入氢和另外一种含硫化合物后， 不仅能制造出更长的碳纳米管束，而且这些碳纳米 管束可由单层碳纳米管通过自我组装而有规律地排 列组成。
研究人员认为，他们的新方法作为一种更为简便 的替代工艺，也许还可以用来生产高纯度的单层碳 纳米管材料。

5 总结与展望
氢的储存技术是开发利用氢能的关键性技术，如何有效地对氢进行储存，并且在使用时能够方便地释放出来，是该项技术研究的焦点。以上介绍的每一种储氢材料都有或多或少的缺点，制约其长足的发展。比如说，储氢合金虽是主要应用的储氢材料，但大多数储氢合金的自重大，寿命也是个问题，自重低的镁合金很难常温储放氢，大规模应用仍然有困难。碳纳米管储氢材料受到广泛关注，但基础研究不够，能否实用化还是个问题，目前的研究重点是提高室温、常压下氢的吸附量，在吸附机理、吸附剂的合成和吸附剂的净化等方面取得突破性进展。另一思路是制备新型的复合储氢材料，大部分储氢材料的性能都有加合的特点，而单一的储氢材料的性质也较多地为人们所认识。所以，复合储氢材料是未来储氢材料制备的一个走向。
有机物储氢的特点是：(1)储氢量大，苯和甲苯的理论储氢质量分数分别为7.19 %和6.18 %，比传统的金属氢化物、高压压缩的储氢量大得多；(2)储氢剂和氢载体的性质与汽油相似，储存、运输、维护保养安全方便，特别是储存设施的简便是传统储氢技术难以比拟的；(3)可多次循环使用，寿命长达20年；(4)加氢反应放出大量热可供利用。Touzani和Klvana等[16,17]系统地研究了MCH的脱氢反应，并对偶联于氢燃机上的脱氢反应进行了数值模拟。瑞士在研究随车脱氢，为汽车提供燃料的技术方面开展了一系列研发工作[35,36]。Parmaliana等[18]利用商品化的载Pt蜂窝状催化剂研究了苯/环己烷的加氢和脱氢反应，250℃～350℃，常压下，加氢效果最好。Cacciola等[19]论证了用环己烷和甲基环己烷作氢载体的储氢和输氢的可行性。我国的有机液体氢化物储氢技术，1994年石油大学进富[20]对利用Ni - Al2O3催化剂的甲苯气相加氢反应及其动力学进行了研究，取得了一定的进展。2003年，顾仁敖等[21]用共焦拉曼光谱研究了苯在光滑铂电极表面的电化学还原行为，表明苯可直接还原生成环己烷。

第 50 卷 第 5 期2021 年 5 月Vol.50 No.5May. 2021化工技术与开发Technology & Development of Chemical Industry碳基储氢材料的技术研究及展望付东升(中国石化上海石油化工股份有限公司,上海 200540)摘 要：本文从功能性材料和纤维缠绕结构性复合材料两个方面，总结了碳基材料在储氢领域的技术进展。

功能型储氢材料的技术原理是表面吸附，包括活性炭、活性炭纤维、纳米碳纤维、碳纳米管、石墨烯等，应用的关键在于开发较高温度下的低成本吸附材料。

高性能纤维缠绕复合材料是高压储氢技术的研究热点，结合低温技术，可以实现在保证储氢能力的同时降低压力，具有较好的经济性。

关键词：碳基材料；储氢；吸附；纤维缠绕复合材料中图分类号： TK 912 文献标识码：A 文章编号：1671-9905(2021)05-0054-05作者简介：付东升(1980-)，男，博士，高级工程师，研究方向：碳材料及应用收稿日期：2021-02-22氢能具有资源丰富、高热值、无污染、可再生的优点，是理想的新一代清洁能源。

与化石能源相比，氢气燃烧发热量为28700kcal·kg -1，优质煤炭为8000kcal·kg -1，汽油为10630kcal·kg -1，天然气为11930kcal·kg -1。

氢能利用的关键技术在于储存，全世界科学家投入大量的精力，以开发安全经济的储存技术，现有氢气的储存方法有液化储存、压缩储存、金属氢化物储存、吸附储存等。

在作为结构材料的高压压缩氢气储存技术领域，以及作为功能材料的吸附储存技术领域中，碳基材料都发挥着关键的作用，也是过去几十年的研究焦点。

1　功能型碳基储氢材料功能型碳基储氢材料是依据碳基吸附材料可在低温条件下物理吸附储氢，高温下氢气解吸附的原理，进行氢气的储存和利用。

碳基吸附材料的比重轻，对氢气的吸附量大，经济性好，对气体中的杂质不敏感且可以循环使用。

研究方向：石墨烯、碳纳米管手性控制与工程应用、 能量收集、转换与存储（太阳能电池、锂离子电池、 超级电容器等）、复合材料与异质结构
e) Picture of a CNT and a polymeric sponge placed in a water bath. The CNT sponge is floating on the top while the polyurethane sponge absorbed water and sank to below the surface level. f) A CNT sponge bent to arch-shape at a large-angle by finger tips. g) A 5.5cm1 cm0.18cm sponge twisted by three round turns at the ends without breaking. h) Densification of two cubic-shaped sponges into small pellets (a flat carpet and a spherical particle, respectively) and full recovery to original structure upon ethanol absorption.
范守善院士
清华大学物理系
研究领域：近十余年的研究方向集中在纳米尺度材料的 科学与技术，主要研究方向为碳纳米管的生长机理、可 控制合成与应用探索。在深入揭示和理解碳纳米管生长 机理的基础上，实现了超顺排碳纳米管阵列、薄膜和线 材的可控制与规模化制备，研究并发现了碳纳米管材料 独特的物理化学性质，基于这些性质发展出了碳纳米管 发光和显示器件、透明柔性碳纳米管薄膜扬声器、碳纳 米管薄膜触摸屏等多种纳米产品，部分应用产品已具有 产业化前景，实现了从源头创新到产业化的转换。

由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的同轴中空无缝管状结构，其管壁大都是由六边形碳原子网格组成。

根据管壁层数不同，一般分为单层碳纳米管和多层碳纳米管；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。

根据碳纳米管中碳六边形网格沿轴向的不同取向，可将其分为扶手椅型，锯齿型和螺旋型三种.SWNTs的顶端相当于半个富勒烯球组成的封闭管帽，是由适当数目和位置的五边形和六边形构成制备方法特点:通过各种外加能量，将碳源离解原子或离于形式，然后在凝聚就可以得到这种碳的一维结构。

1.电弧法电弧室充惰性气体保护，两石墨棒电极靠近，拉起电弧，再拉开，以保持电弧稳定。

放电过程中阳极温度相对阴极较高，所以阳极石墨棒不断被消耗，同时在石墨阴极上沉积出含有碳纳米管的产物。

电弧法多采用直流电弧，电弧放电条件一般为：电极电压20～30V；电流50～150A；气体压力10～80kPa。

产率50％。

Iijima等生产出了半径约1 nm的单层碳管。

传统的电弧放电法只能制备多层纳米碳管，只有在加入金属催化剂时才可能得到单层碳纳米管，由此可见催化剂对于单层碳纳米管的生长是必不可少的。

2.化学气相沉积法CVD 方法利用热分解含碳化合物，在金属催化剂作用下，合成碳纤维。

常用的碳氢化合物包括甲烷、一氧化碳、苯等，而金属催化剂包括过渡金属( Fe 、Co 、Ni 及Mo 等) 以及它们的氧化物。

CVD 法具有设备简单、条件易控、能大规模制备、可以直接生长在合适的基底上等优点。

碳纳米管材料结构与性能的研究中文摘要英文摘要关键词绪论研究背景碳纳米管是20世纪90年代发现的一种碳材料的一维形式，具有优良的物理化学性能。

纳米材料由于其尺寸处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等特性，展现出独特的电学、光学和机械特性，碳纳米管在物理、化学、信息技术、环境科学、材料科学、能源技术、生命及医学科学等领域均具有广阔的应用前景。

正是由于碳纳米管这种潜在的价值和广泛的应用前景，使有关碳纳米管材料的研究成为最受关注的研究领域之一。

纳米材料这一概念形成以后，世界各国都给予了极大关注，它所具有的独特性质，给物理、化学、材料、生物、医药等领域的研究带来了新的机遇。

碳纳米管材料的分类碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此按照石墨烯片的层数可分为：单壁碳纳米管（或称单层碳纳米管，Single-walled Carbon nanotubes, SWCNTs）和多壁碳纳米管（或多层碳纳米管，Multi-walled Carbon nanotubes, MWCNTs）。

碳纳米管依其结构特征可以分为三种类型：扶手椅形纳米管（armchair form），锯齿形纳米管（zigzag form）和手性纳米管（chiral form）。

碳纳米管的手性指数（n，m）与其螺旋度和电学性能等有直接关系，习惯上n>=m。

当n=m时，碳纳米管称为扶手椅形纳米管，手性角（螺旋角）为30o；当n>m=0时，碳纳米管称为锯齿形纳米管，手性角（螺旋角）为0o；当n>m≠0时，将其称为手性碳纳米管。

根据碳纳米管的导电性质可以将其分为金属型碳纳米管和半导体型碳纳米管：当n-m=3k(k为整数)时，碳纳米管为金属型；当n-m=3k ±1，碳纳米管为半导体型。

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，蛇型等。

碳纳米管的研究进展及应用一引言1.1 纳米材料纳米材料是近年来受到人们极大关注的新型领域，纳米材料的概念形成于20世纪80年代，在上世纪90年代初期取得较大的发展。

广义地说，纳米材料是指其中任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料[1]。

当小粒子尺寸加入纳米量级时，其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。

纳米材料具有四大特点: 尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大。

从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性，使纳米材料在国防、电子、化工、催化剂、医药等各种领域具有重要的应用价值。

1.2 碳纳米管碳是自然界分布非常普遍的一种元素。

碳元素的最大的特点之一就是存在多种同素异形体，形成许许多多的结构和性质完全不同的屋子。

长期以来，人们一直以为碳的晶体只有两种：石墨和金刚石。

直到1985年，英国科学家Kroto 和美国科学家Smalley在研究激光蒸发石墨电极时发现了碳的第三种晶体形式C60[2]，从此开启了人类认识碳的新阶段。

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）发现了多壁碳纳米管（MultiWalled Carbon Nanotubes ，MWNTs），直径为4-30nm，长度为1um。

，最初称之为“Graphite tubular”。

1993年单壁碳纳米管也被发现（Single-Walled Carbon Nanotubes ，SWNTs），直径从0.4nm到3-4nm，长度可达几微米。

碳纳米管（CNT）[3]又名巴基管，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。

它是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷绕而成的无缝、中空的“微管”，每层由一个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形组成的圆柱面。

碳纳米管在能源领域的应用研究进展申永涛;张爱波【摘要】Carbon nanotubes as a new type of carbon materialshavecomplete molecular structure.On the structure,it has the special shape of hollow tubes configuration, good electrical conductivity, high specific surface area,good chemical stability, the space for electrolyte ion migration and the network structure of nanometer scale through winding and interaction. As electrode materials,itcan well improve the power characteristics, stability andother aspects of capacitorsandfuel cells. Special hollow structure and high specific surface area make itbecomea hydrogen storage material with great application potential.Inthis paper,application and research progress ofcarbon nanotubes in hydrogen storage materials, super capacitorsand fuel cellswere introduced.%碳纳米管作为一种新型的具有完整分子结构的碳材料，在结构上具有特殊的中空管状构型、良好的导电性、高比表面积、化学稳定性、适合电解质离子迁移的空隙、以及交互缠绕可形成纳米尺度的网络结构等优点，作为电极材料可以很好的提高电容器和燃料电池的功率特性、稳定性等多方面的性能。

科学实践摘要：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。

关键词：碳纳米管结构性质应用1碳纳米管的发现1991年，日本NEC科学家Iijima在制取C60的阴极结疤中首次采用高分辨隧道电子显微镜(HRTEM)发现一种外径为515nm、内径213nm、仅由两层同轴类石墨圆柱面叠合而成的碳结构。

进一步的分析表明，这种管完全由碳原子构成，并看成是由单层石墨六角网面以其上某一方向为轴，卷曲360°而形成的无缝中空管。

相邻管子之间的距离约为0.34nm，与石墨中碳原子层与层之间的距离0.335nm 相近，所以这种结构一般被称为碳纳米管，这是继C60之后发现的碳的又一同素异形体，是碳团簇领域的又一重大科研成果[1]。

2碳纳米管的结构碳纳米管（CNT）又名巴基管，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。

它是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷绕而成的无缝、中空的“微管”，每层由一个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形组成的圆柱面。

根据形成条件的不同，碳纳米管存在多壁碳纳米管(MWNTs)和单壁碳纳米管(SWNTs)两种形式。

MWNTs一般由几层到几十层石墨片同轴卷绕构成，层间间距为0.34nm左右，其典型的直径和长度分别为2-30nm0.1-50μm.SWNTs由单层石墨片同轴卷绕构成，其侧面由碳原子六边形排列组成，两端由碳原子的五边形封顶。

管径一般从10-20nm，长度一般可达数十微米，甚至长达20cm[2]。

3碳纳米管的活化一般认为，在碳纳米管表面引入一些电活性基团，经过活化才能有较好的电化学响应。

碳纳米管的能带结构和表面能计算一、碳纳米管，简单来说就是“小小的碳管”。

它们是由一层单原子厚度的碳原子组成的，在空间中像管子一样卷曲起来，形状像筷子一样细长。

这些碳原子通过共价键连接，形成了非常稳定的结构。

乍一听，可能会觉得这没什么大不了，毕竟碳元素我们天天接触。

但别急，碳纳米管可不仅仅是“看上去很美”那么简单。

它们在许多领域都可以发挥巨大的作用，像纳米电子学、材料科学，甚至是能源领域，都能看到它们的身影。

可能你会好奇，碳纳米管到底有什么特别的地方，能让它们在这么多行业大放异彩？最关键的就是它们的能带结构和表面能。

这两者直接决定了碳纳米管的导电性、机械性能以及它在各种应用中的表现。

二、先说说能带结构。

大家都知道，电子在原子里是有层级的，像楼层一样。

但你知道吗？电子并不是可以随意在这些楼层之间跳来跳去的。

每层楼都有自己的“能量”，如果能量高了，电子就能跳得更远。

碳纳米管的能带结构就像一个独特的楼宇，决定了它的“楼层”分布。

每个碳纳米管根据其卷曲方式不同，能带结构也不一样。

比如，所谓的“金属型碳纳米管”和“半导体型碳纳米管”，就像是两种性格截然不同的房子。

金属型碳纳米管的电子可以自由流动，就像是开了电源的电子设备，可以快速导电。

而半导体型碳纳米管，则像一座受控制的房子，电子不随便流动，只有在特定条件下才会“跑”起来。

这种能带结构的差异，让碳纳米管能够根据需求发挥不同的作用。

如果你想要做超快的电子器件，金属型碳纳米管肯定是首选；要是做传感器，半导体型碳纳米管更适合。

这就像你选择手机壳时，要么喜欢拿得出手的高端金属质感，要么喜欢低调的半透明塑料壳，看需求就行。

三、再来看看碳纳米管的表面能。

说到这个，很多人可能会觉得有点“云里雾里”。

表面能就是指物质表面与外界接触时产生的一种能量。

比如，当你把手指放在水面上，水表面会产生一股很微妙的反应，感觉有点粘手。

其实那就是表面能在作怪。

碳纳米管的表面能决定了它和外界环境的互动强度。