第一篇：碳納米管的應(yīng)用與前景

單壁碳納米管的應(yīng)用與前景 1.SWNTs在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用：

當(dāng)材料尺度減少到納米量級(jí)，會(huì)產(chǎn)生在宏觀尺度上完全看不到的或者是特別優(yōu)異的性能，達(dá)到納米量級(jí)的材料會(huì)產(chǎn)生自組裝效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和量子效應(yīng)。1.1 儲(chǔ)氫材料

氫氣在未來的能源方面將扮演一個(gè)重要的角色。氫能量蘊(yùn)含值高，不污染環(huán)境，資源豐富，但氫氣能源實(shí)用化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是氫氣的儲(chǔ)存。因SWNTs的中空部分是極好的微容器，可吸附大小合適其內(nèi)徑的各種分子，可儲(chǔ)存包括氫在內(nèi)的各種氣體。通過對(duì)SWNTs的吸氫過程研究發(fā)現(xiàn)，氫可能以液體或固體的形式填充到SWNTs的管體內(nèi)部以及SWNTs束之間的孔隙，純的表面活性高的SWNTs有利于儲(chǔ)氫。

1997年，美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室的Dillon和Heben等人首次報(bào)道了SWNTs的氫氣吸附性能。他們發(fā)現(xiàn)SWNTs在133K和40KPa的壓力下能吸附大約5%-10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）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(chǔ)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(guó)成會(huì)明等也研究了半連續(xù)氫等離子弧制得的SWNTs經(jīng)適當(dāng)預(yù)處理后，在10MPa壓力、室溫下儲(chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)4.2%-4.7%。這些研究表明，SWNTs是一種理想的儲(chǔ)氫材料，具有潛在的應(yīng)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(jié)構(gòu)示意圖

（a）所有氫吸附在內(nèi)表面（b）以氫分子形式穩(wěn)定存在于碳管內(nèi)部）1.2 電子領(lǐng)域的應(yīng)用——雙電層超級(jí)大容器

由于CNTs具有很好的電學(xué)性能，特別是經(jīng)高溫退火處理消除部分缺陷后的CNTs，導(dǎo)電性能更高，使得目前關(guān)于CNTs的應(yīng)用研究主要集中在電子領(lǐng)域。我們就以SWNTs來說吧。

德國(guó)物理學(xué)家亥姆霍茲（Helmhots）在進(jìn)行固體與液體界面現(xiàn)象的研究中發(fā)現(xiàn)，將金屬板或其它導(dǎo)電體插入電解質(zhì)溶液時(shí)，由于庫(kù)侖力、分子間作用力或原子間作用力（共價(jià)力）的作用，使金屬表面出現(xiàn)穩(wěn)定的、符號(hào)相反的雙層電荷，稱為雙電層。對(duì)于雙電層電容器，其儲(chǔ)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(dǎo)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(xiàn)使得電容器的極限容量驟然上升了3-4個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)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(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的目的。它不同于傳統(tǒng)意義上的電容器，而類似于充電電池，但比傳統(tǒng)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(zhǎng)的循環(huán)壽命（循環(huán)壽命在萬次以上）。

因此，電化學(xué)電容器在移動(dòng)通訊、信息技術(shù)、電動(dòng)汽車、航天航空和國(guó)防科技等方面具有極其重要和廣闊的應(yīng)用前景。例如，大功率的超級(jí)電容器對(duì)于汽車的啟動(dòng)、加速和上坡行駛極具重要。它可以大大延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，提高電動(dòng)汽車的實(shí)用性，況且，對(duì)于燃料電動(dòng)汽車的啟動(dòng)都是不可少的。鑒于雙電層超級(jí)電容器的重要性，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都給予了高度重視。1996年歐共體制定了電動(dòng)汽車超級(jí)電容器的發(fā)展計(jì)劃。美國(guó)能源部也制定了相應(yīng)的發(fā)展超級(jí)電容器的研究計(jì)劃。我國(guó)清華大學(xué)的馬仁志等人采用催化裂解內(nèi)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(jīng)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(zhì)，成功地制備出超級(jí)電容器。

碳納米管在電子領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。如可作為導(dǎo)線、開關(guān)盒記憶元件，應(yīng)用于微電子器件。利用碳納米管的量子效應(yīng)，在分子水平上對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)和操作，可以推動(dòng)傳統(tǒng)器件的微型化。另外，碳納米管具有很好的導(dǎo)電性，可以避免因電極材料的電阻極化對(duì)電池性能產(chǎn)生不利影響。因此，采用碳納米管作為負(fù)極材料有利于提高鋰離子電池的放電容量、循環(huán)壽命和改善電池的動(dòng)力學(xué)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(fù)合材料：尼龍-66/SWNTs 隨著SWNTs合成和生成技術(shù)的不斷發(fā)展，SWNTs復(fù)合材料的實(shí)際運(yùn)用已近在咫尺。SWNTs的優(yōu)良性能可望開辟諸多新穎的應(yīng)用領(lǐng)域，諸如，新型導(dǎo)電高分子材料、多功能聚合物復(fù)合材料、導(dǎo)電金屬基復(fù)合材料以及高斷裂應(yīng)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(dú)特、十分完美的微觀結(jié)構(gòu)和非常大的長(zhǎng)徑比，且表面積大、柔韌性好，在分子水平上與基質(zhì)通過化學(xué)鍵連接因此能夠被拉伸。

就以尼龍-66/SWNTs復(fù)合材料來說吧。尼龍-66（簡(jiǎn)稱PA6,6）是一種具有較高力學(xué)性能的縮水聚合型高分子材料，在工業(yè)領(lǐng)域和日常生活中得到廣泛應(yīng)用。Haggenmueller等原位界面聚合的方法制備了PA6,6/SWNTs復(fù)合材料。SWNTs分別為純化的、功能化修飾的和表面活性劑穩(wěn)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(xué)顯微鏡觀察，結(jié)果顯示功能化的碳納米管和表面活性劑穩(wěn)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(fù)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(fù)合材料中碳納米管出現(xiàn)團(tuán)聚，弱的剪切還導(dǎo)致了SWNTs的凝絮.其實(shí)，碳納米管復(fù)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(fù)合材料就是將碳納米管與金屬基體復(fù)合。它包括碳納米管/鐵基復(fù)合材料、碳納米管/鋁基復(fù)合材料、碳納米管/鎳基復(fù)合材料等。碳納米管/金屬基復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、良好的抗疲勞性能、高抗沖擊性以及重量輕等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于其成本相對(duì)較高，限制了它的應(yīng)用，至今主要應(yīng)用于汽車工業(yè)、航空和航天工業(yè)。

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

（圖4）

改進(jìn)原位法復(fù)合的復(fù)合材料

拉斷后掃描電子顯微鏡照片

1.4 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

生物分子如核酸和蛋白質(zhì)攜帶著生命過程的重要信息。在生物醫(yī)學(xué)研究和衛(wèi)生保健中，人們非常希望獲得在分子水平上檢測(cè)和運(yùn)輸特定物質(zhì)或載體的能力。而當(dāng)材料達(dá)到納米尺度時(shí)，其大小接近生物分子，它們直接與單個(gè)生物分子作用，這與傳統(tǒng)的宏觀和微觀器件處理相對(duì)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(yōu)良的細(xì)胞穿透性能使其作為載體運(yùn)送生物活性分子及藥物進(jìn)入細(xì)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(lǐng)域展現(xiàn)出了令人矚目的應(yīng)用前景。

SWNTs可作為生物傳感器。碳納米管是傳感器件的關(guān)鍵部分，它們?cè)谥圃爝^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(jìn)的微納加工或者是性質(zhì)隨特定生物活動(dòng)而變化的感應(yīng)元件，或者是將信號(hào)傳遞給測(cè)量單元的轉(zhuǎn)換元件。生物傳感器的原理是使用碳納米管來探測(cè)單個(gè)活細(xì)胞內(nèi)的生物化學(xué)環(huán)境或探測(cè)單個(gè)生物分子。碳納米管探針可以附著在細(xì)長(zhǎng)的電極尖端進(jìn)行電學(xué)、電化學(xué)和電生理學(xué)測(cè)量。

除了上述應(yīng)用外，由于碳納米管的體積可以小到10-5mm3，醫(yī)生可以向人體血液里注射納米碳管潛艇式機(jī)器人，用于治療心臟病。一個(gè)皮下注射器能夠裝入上百萬個(gè)這樣的機(jī)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(zhì)。如果碰上的是紅血球等正常的組織細(xì)胞，識(shí)別出來后便不予理會(huì)。當(dāng)遇到沉積在動(dòng)脈血管壁上的膽固醇或病毒時(shí)，就會(huì)將其打碎或消滅，使之成為廢物通過腎臟排除。微型機(jī)器人可以使外科手術(shù)變得更為簡(jiǎn)單，不必用傳統(tǒng)的開刀法，只需在人體的某部位上開一個(gè)極小的孔，放入一個(gè)極小的機(jī)械即可。這一切都是人眼所不能看到的。美國(guó)哈佛大學(xué)的Lieber等人研制出一種微型納米鉗，有望成為科學(xué)家和醫(yī)生操作生物細(xì)胞、裝配納米機(jī)械進(jìn)行微型手術(shù)的新工具。

1.5前景

作為當(dāng)今材料科學(xué)領(lǐng)域的明星材料之一，SWNTs獨(dú)特的結(jié)構(gòu)以及其獨(dú)特的性能揭示了它在各個(gè)領(lǐng)域的潛在價(jià)值。它的一些特殊的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)，在新型功能材料和電子器件方面存在巨大的應(yīng)用前景，因而人們對(duì)它產(chǎn)生了極大的研究興趣，已成為全世界的研究熱點(diǎn)，并給整個(gè)社會(huì)帶來不可估量的利益和影響。

諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的C60發(fā)現(xiàn)者之一R.E.Smalley稱：“碳納米管將是價(jià)格便宜，環(huán)境友好并為人類創(chuàng)造奇跡的新材料?！?/p>

現(xiàn)將碳納米管的可能應(yīng)用領(lǐng)域簡(jiǎn)單整理一下：

（圖5）

盡管碳納米管已取得巨大的應(yīng)用與展示出不可估量的前景。但它也面臨著幾個(gè)問題，使得其不能真正的得到工業(yè)運(yùn)用。一是，如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量碳納米管的連續(xù)批量工業(yè)化生產(chǎn)。碳納米管的制備現(xiàn)狀大致是：MWNTs能較大量生產(chǎn)，SWNTs多數(shù)處于實(shí)驗(yàn)室研制階段，某些制備方法得到的碳納米管生長(zhǎng)機(jī)理還不明確，對(duì)碳納米管的結(jié)構(gòu)（管徑、管長(zhǎng)、螺旋度、壁厚等）還不能做到任意調(diào)節(jié)和控制，影響碳納米管的產(chǎn)量、質(zhì)量及產(chǎn)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(zhì)高、產(chǎn)率低等缺點(diǎn)，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(shí)際應(yīng)用問題。例如，在常溫常壓下如何解析氫氣及加快其儲(chǔ)氫放氫速度。再如，如何提高碳納米管吸附容量的穩(wěn)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(yōu)異或能預(yù)期其性能的碳納米管復(fù)合材料。

另外，碳納米管對(duì)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(xì)胞毒性，表現(xiàn)為可引起肺臟炎癥、肉芽腫和細(xì)胞凋亡、活力下降、細(xì)胞周期改變等。其毒力大小與碳納米管的特性有關(guān)，如結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)度、表面積、制備方法、濃度、劑量等，毒性作用機(jī)制可能與氧化應(yīng)激有關(guān)。