準一維納米碳材料類別與典型應(yīng)用

1、準一維納米碳材料類別與典型應(yīng)用當前，低維納米材料以其獨特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)受到了世界科技、經(jīng)濟和社會各界的高度關(guān)注，是材料前沿研究的熱點領(lǐng)域之一。從空間而言，低維納米材料可以按零維（顆粒狀）、一維（線狀）、二維（層狀） 進行分類。準一維納米材料通常是指僅沿某一個維度生長、而在其他維度限制生長的納米材料。由于這類納米材料的結(jié)構(gòu)高度各向異性，其性質(zhì)往往也呈現(xiàn)各向異性，再加上可以通過多種方法使其功能化，在未來的納米材料、納米器件、納米機械等研究領(lǐng)域具有多樣而奇特的應(yīng)用前景。準一維納米材料包括如下類別：納米線 （nanow iren），納米管（nanotube），納米帶 （nanoribbon） 和納米導(dǎo)線

2、 （nanoline） 等。本文僅對準一維納米碳材料及其制備方法進行概述，并對其典型應(yīng)用領(lǐng)域進行介紹。1 準一維納米碳材料及其制備1.1 碳納米管碳納米管 （CarbonNanotubes,簡寫 CNTS） 較早被發(fā)現(xiàn)。因CN TS 具有尺寸較小、比表面大、界面效應(yīng)強等特點而備受研究者的青睞。CN TS 的制備方法包括：激光蒸發(fā)法、電弧放電法、化學汽相沉積（CVD） 法等。Bandow 等1人激光蒸發(fā)法對實驗設(shè)備進行了改進，首次成功制得高質(zhì)量的單壁CNTS.該方法的基本原理是激光束的熱量加熱石墨靶，使之生成氣態(tài)碳。這些氣態(tài)碳原子和催化劑粒子，在催化劑作用下使碳原子生長成CN TS.1.2 碳納

3、米棒碳納米棒是不同于納米管的另一種納米材料，主要差異就是其內(nèi)部為實芯。其制備方法包括：電弧放電法、激光蒸發(fā)法和 CVD 法等。Song等2采用C2H2為碳源，采用Si為襯底的Fe 基催化劑，實驗溫度為973，用CVD 法制備出碳納米棒。1.3 碳納米帶顧名思義，納米帶是帶狀結(jié)構(gòu)的。它們的橫截面均是矩型，一般寬厚比要大于10.納米帶具有顯著的特點，這就是它們有完整的習性晶面。納米帶的晶體結(jié)構(gòu)呈各向異性，不同晶面有不同的表面能，物理性質(zhì)差異顯著。這一特點在晶體生長及其控制中有重要價值，人們通過控制晶體某些特定晶面的生長，就可以實現(xiàn)晶體的功能設(shè)計和制備。納米帶的缺點是沒有納米管那樣的高結(jié)構(gòu)強度。但納

4、米帶的生產(chǎn)過程簡單可控，有利于保證批量產(chǎn)品的質(zhì)量。碳納米帶的制備方法有電弧放電法、CVD 法等。M ahanandia等3以四氫呋喃為碳源，使用二茂鐵為催化劑，不用惰性氣體載氣，采用CVD 法在石英管內(nèi)壁上沉積，制得碳納米帶。1.4 碳納米纖維碳納米纖維是由多層石墨片層卷曲而成的，長度為0.5100μm,直徑為 10500nm,是介于CNTS 和普通碳纖維之間的準一維碳材料。碳納米纖維有大的比表面積，優(yōu)異物理、化學性質(zhì)和化學穩(wěn)定性，和較好的導(dǎo)電性能。其制備方法有電弧放電法和靜電紡絲法等。Pacheco-sotel等4采用電弧放電法制得碳納米纖維，平均直徑為80nm、表面干凈。1.5 碳納

5、米卷碳納米卷是由單層或多層石墨烯薄片卷繞而形成的，結(jié)構(gòu)非封閉，壁間距可調(diào)。碳納米卷的常用制備方法有電弧放電法、超聲剝離法、異丙醇卷起單層石墨片層發(fā)。1960 年，在壓強為9.2M pa 的氬氣中、溫度為3600的實驗條件下，Braga5用電弧放電法，成功獲得長度約 5cm、平均直徑約為5m m 的石墨晶絲。目前，批量生產(chǎn)碳納米卷的工業(yè)方法尚未見報道?？梢哉f，實驗制備高質(zhì)量的碳納米卷難度很大、成本較高，研究者更愿意用一些材料設(shè)計軟件先進行虛擬研究設(shè)計研究，再實驗制備。2 準一維納米碳材料的典型應(yīng)用2.1 儲氫材料氫氣是一種極為理想的代替石油、煤等不可再生資源的能源，它的優(yōu)點是含量大便于制取、清潔

6、無污染。目前，阻礙氫氣能源應(yīng)用的主要是儲存問題。CN TS 則為氫能儲存提供了新方法。Zacharia 等6在CNTS 中摻入金屬粒子，研究純CN TS 和摻雜CN TS 對氫分子的吸附行為。研究結(jié)果揭示，在CN TS 中摻雜納米金屬粒子不僅能夠提升其吸氫速率，而且可以大大提高其儲氫容量。2.2 場發(fā)射器件CNTS 具有很高的電子態(tài)密度，且其直徑僅有幾個納米，因而其附近易于建立強電場，從而將電子從納米管頂部發(fā)射出去。大量實驗研究結(jié)果證實，CN TS 具有優(yōu)異的場致電子發(fā)射能力。Cui等7采用CVD 法制得CNTS.他們研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的增加CN TS 的場發(fā)射性質(zhì)顯著改善。CN TS 陣列制

7、備研究的進展是重要突破，這使得人們能把數(shù)以萬計的CNTS 有序排列在基片上。顯然，這有力地促進CN TS 陣列在場發(fā)射領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)。2.3 化學傳感器利用CN TS 導(dǎo)電性能與吸附氣體的關(guān)系，人們研制了基于CN TS 的化學氣體傳感器，它們可以檢測多種氣體。例如，M erkoci等8基于CN TS 制成具有極高的靈敏度的電化學傳感器。其原理是CN TS 可以提升電子遷移速率，而金屬鉑具有催化性能，他們用CN TS 對鉑碳電極表面進行修飾，從而使傳感器兼有這兩個特性，提升了傳感器的靈敏度。2.4 水處理材料CNTS 具有微孔結(jié)構(gòu)、較大的比表面積和多種吸附中心。因而成為人們期望的優(yōu)質(zhì)微污染吸附劑

8、、正在探索將它們應(yīng)用于水處理等環(huán)境治理和生態(tài)保護領(lǐng)域。2.5 其它應(yīng)用CNTS 上有一些懸浮鍵，與高分子材料復(fù)合時，結(jié)合界面有化學鍵形成、結(jié)合牢固，進而得到性能優(yōu)異的復(fù)合材料。如該類復(fù)合材料的彈性、強度、抗靜電性、吸收微波性等不一而足。CNTS 復(fù)合材料的優(yōu)異性能可使其廣泛應(yīng)用于電磁干擾屏蔽材料、合成纖維、隱身材料、導(dǎo)電或抗靜電塑料等諸多行業(yè)。碳納米帶還可應(yīng)用于平板顯示，由于它的高的電導(dǎo)率和高的光學透明性，使其在平板顯示、太陽能、光電子領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用價值。3 結(jié)語準一維納米碳材料具有極高的科研和潛在的應(yīng)用價值。目前，在其制備和應(yīng)用研究方面取得了一定的成就，尤其是在CNTS 和碳納米纖維。雖然對CN TS 和碳納米纖維的生成機理研究的比較成熟，但對于其它準一維納米碳材料確切的生長機理還沒有完全掌握，其制備大多處于實驗研究階段。在應(yīng)用研究方面，對準一維納米碳材料結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系的研究還不夠系統(tǒng)深入，還需要進行大量的性質(zhì)以及應(yīng)用基礎(chǔ)研究。參考文獻1 Bandow S, Asaka S, Saito Y et al.生長溫度對于單壁碳納米管的直徑分布和手性的影響J.物理學評論通訊，