1、第5章碳納米管 由碳原子形成的石墨烯片層圍成的一種管狀結構，而且它們的直徑很小，基本都在納米尺度，所以稱其為納米碳管。 在理想情況下，僅僅包含一層石墨烯的納米碳管稱為單壁納米碳管。 包含兩層以上石墨烯片層的納米碳管稱為多壁納米碳管，nm。不同管壁數目的納米碳管的高分辨電鏡照片（從左至右管壁數目分別為一至五） 10-20 nm diameter70nm diameter150nm(a) and 300nm(b)TEM images of CNTs with 6 nm(a) and 100nm(b) diameterHRTEM images of CNTsHRTEM images of the c

2、ross-section of CNTs.1991年，日本NEC公司S Iijima，為了觀察電弧蒸發石墨得到的各種產物，在不斷改變實驗條件過程中，發現所得到的產物中除了制備C60時出現的灰狀產物以外，在電極上還有一些呈針狀的產物。將這些針狀產物在高分辨電子顯微鏡下觀察，發現該針狀物是直徑為430納米，長約1微米，由2個到50個同心管構成，相鄰同心管之間平均距離為0.34納米。進一步實驗研究表明，這些納米量級的微小管狀結構是由碳原子六邊形網格按照一定方式排列而形成，或者可以將其想象成是由一個六邊形碳原子形成的平面卷成的中空管體，而在這些管體的兩端可能是由富勒烯形成帽子。這就是多壁納米碳管。19

3、93年，S Iijima等和DS Bethune等同時報道了采用電弧法，在石墨電極中添加一定的催化劑，可以得到僅僅具有一層管壁的納米碳管，即單壁納米碳管產物。帶有C60、C70和C80籠狀結構扶手椅形、鋸齒形以及螺旋形的單壁納米碳管結構示意圖一、結 構單壁納米碳管可以看成是石墨烯片層平面映射成圓柱，石墨烯片層中點陣可以采用向量 C=ma1+na2表示(n, m為整數, a1，a2是石墨烯中的單位向量，分別為（1/2，3）a和（1/2，3）a, a =0.246nm3ac-c，ac-c為碳碳鍵長)。可以用（n, m）兩個參數表示一個單壁納米碳管，所以在不考慮手性的情況下，單壁納米碳管可以由兩個量

4、完全確定。 碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結構（徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級、管子兩端基本上都封口）的一維量子材料。它主要由呈六邊形排列的碳原子構成數層到數十層的同軸圓管。層與層之間保持固定的距離，約0.34nm，直徑一般為220nm。碳納米管不總是筆直的，而是局部區域出現凸凹現象，這是由于在六邊形編織過程中出現了五邊形和七邊形。除六邊形外，五邊形和七邊形在碳納米管中也扮演重要角色。當六邊形逐漸延伸出現五邊形時，由于張力的關系而導致納米管凸出。如果五邊形正好出現在碳納米管的頂端，即形成碳納米管的封口。當出現七邊形時，納米管則凹進。兩根毗鄰的碳納米管不是直接粘在一起的，而是保持一

5、定距離，Ruff等用Jarrel-Ash掃描顯微光度計精確測量了兩根非常接近的碳納米管間的距離。由石墨烯片層構造納米碳管的示意圖 二、制 備1、電弧法 在一真空反應室內充有一定量的緩沖氣體，兩根石墨電極棒垂直相對。唯一的區別是制備單壁納米碳管時要在電極中摻加金屬催化劑。催化劑及緩沖氣體種類、分壓的選擇等是電弧法制備單壁納米碳管的關鍵，將直接影響到產物的產量、質量及形貌特征。電弧法制備納米碳管的裝置示意圖 (a)陰極，（b）反應室，（c）陽極電弧法作為被廣泛用于單壁納米碳管制備的一種方法，其優點是設備比較簡單，產量較大。缺點是產物中含有較多的催化劑、無定形炭等雜質，需要進一步的系統提純；另外納米

6、碳管的生長是在遠離平衡狀態下進行的，這不利于對其生長條件的直接調控和生長機理的探索，而且比較難于控制電弧的放電過程，成本也比較高。 2、催化分解碳氫化合物目前，大量制備多壁納米碳管多采用催化分解碳氫化合物的方法，類似于氣相生長炭纖維的過程，采用播撒納米級催化劑顆粒做為制備多壁納米碳管的“種籽”，在高溫下通入碳氫氣體化合物，在催化劑的作用下使碳氫化合物氣體分解，得到多壁納米碳管。采用合適的方法控制納米催化劑的分布還可以得到多壁納米碳管陣列，這些納米碳管可以排列成一定形狀，從而為它們的應用打下良好的基礎。 催化分解碳氫化合物制備多壁納米碳管的所用設備相對簡單，目前其制備技術漸臻成熟，已經能夠實現樣

7、品的較大量制備，而且已經開始出現了小規模工業制備的裝置。 碳氫化合物催化分解法制備單壁納米碳管的反應溫度僅在1100左右，遠比電弧法及激光蒸發法（3000以上）低，而且該方法的能量利用率高、設備簡單，故制備成本較低；該方法還具有產物純度高、工藝參數易于控制等優點。但是，也有產率較低而且反應氣體不能重復使用等問題需要解決。3、激光燒蝕法激光燒蝕法采用強激光束照射石墨靶，在石墨靶局部產生高溫，使碳原子蒸發并產生結構重排。激光燒蝕法是最早被用來制備C60的一種方法, 也有人利用這一方法制備多壁納米碳管, 但效果并不理想。激光燒蝕法制備單壁納米碳管的優點是產物純度高，易于提純。不足之處在于設備復雜、昂

8、貴，而且產量不大，故制備成本較高。激光蒸發法制備單壁納米碳管示意圖4、制備納米碳管的其它方法微波等離子化學蒸發法微孔模板法太陽能法三、特 性更為典型的一維（1D）結構 導體/半導體特性與管的閉合方式和螺旋度有密切關系 無層間交互作用 更適于研究和理解碳管電子結構和輸運現象 超級力學性能（鋼的100倍） 極強的毛細或量子局域效應 極強的吸附性能 優異的儲氫特性 四、應 用1、儲氣應用1997年，AC Dillon等報道了單壁納米碳管的中空管可儲存和穩定氫分子，引起廣泛關注，相關的實驗研究和理論計算工作也相繼展開，初步結果表明：納米碳管是一種很有發展前途的儲氫材料。單壁納米碳管的吸氫過程研究發現，

9、氫以很大密度填充到單壁納米碳管的管體內部以及單壁納米碳管束之間的孔隙，因此單壁納米碳管具有極佳的儲氫能力，據推測單壁納米碳管的儲氫量可達10（重量比） 美國通用汽車公司液氫為能源的燃料電池概念車氫動一號2、制備納米材料的模板一維納米中空孔道賦予了納米碳管獨特的吸附、儲氣和浸潤特性。根據理論計算，中空的納米碳管具有毛細作用，納米碳管為模板制備其它納米線的研究工作。以納米碳管為基礎，利用它的中空結構和毛細作用可制備其它納米結構。對納米碳管進行B、N等元素摻雜已獲得了一系列新型納米管。以納米碳管為母體，通過氣相反應方法可以制備出SiC、GeO2、GaN等多種納米棒以及各種金屬的納米線。這些新的一維納

10、米材料的出現，必將對納米材料的研究和發展產生積極的影響。用多壁納米碳管制備的納米GaN納米線 a 原始樣品 MWNT b制備的GaN納米線 3、催化劑載體納米材料比表面積大，具有特殊的電子效應和表面效應。如氣體通過納米碳管的擴散速度為常規催化劑顆粒的上千倍，擔載上催化劑后可極大地提高催化劑的活性和選擇性，使其在加氫、脫氫和擇型催化等反應中具有很大的應用潛力。 4、復合材料增強相碳納米管還有非凡的力學性質。理論計算表明，碳納米管應具有極高的強度和極大的韌性。由于碳納米管中碳原子間距短、單層碳納米管的管徑小，使得結構中的缺陷不易存在，因此單層碳納米管的楊氏模量據估計可高達5太帕，其強度約為鋼的10

11、0倍，而密度卻只有鋼的1/6。因此，碳納米管被認為是強化相的終級形式，人們估計碳納米管在復合材料中的應用前景將十分廣闊 納米碳管的電學性質與其結構密切相關。就其導電性而言，由于納米碳管直徑和螺旋角不同，可以是金屬性的，也可以是半導體性的，甚至在同一根納米碳管上的不同部位，由于結構的變化，也可以呈現出不同的導電性。 納米碳管中存在大量未成對電子，但其在納米碳管中的徑向運動卻受到限制，表現出典型的量子限域效應；而電子在軸向的運動不受任何限制。因此，可以認為納米碳管是一維量子導線。 5、納米器件利用催化熱解法成功地制備了納米碳管硅納米線，測試表明，這種金屬半導體異質結具有二極管的整流作用。 當一個金屬性單層納米碳管與一個半導體性單層納米碳管同軸套構而形成一個雙層納米碳管時，兩個單層管仍分別保持原來的金屬性和半導體性，利用這一特性可制造具有同軸結構的金屬半導體器件。 單壁納米碳管集成電路納米碳管形成形成的分子晶體管單壁納米碳管為導線納米器件多壁納米碳管納米器件 納米碳管的電學性能和所處氣氛有關，在不同氣體氣氛下，其電阻會發生改變，根