序號講座時間講座名稱主講人12014-3-2714:30-15:35單壁碳納米管的結構控制生長方法研究張錦22014-3-3116:00-16:50sps技術與稀土功能材料張久興32014-4-2515:00-16:20最高引用高分子論文評析江明42014-5-2215:00-16:06Infraredtransmittingglassesfornightvisionandenergyapplications章向華52014-06-0514:30-15:50MethodologiestowardEfficientSynthesesofChiralNaturalProductsandDrugs湯文軍、馬利單壁碳納米管劉文菊①中山大學化學與化學工程學院,廣東廣州510275,）摘要單壁碳納米管具有多種優良性能，在多個領域均有廣闊應用前景，可使用多種方法制備，如電弧放電法、催化裂解法、激光蒸發法、熱解聚合物法、水熱合成法和電解法等方法。關鍵詞單壁碳納米管合成方法應用引言碳納米管（CarbonNanotubes，CNTs），又名巴基管，是一種具有特殊結構的一維量子材料，其特征是：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。碳納米管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2~20nm。并且根據碳六邊形沿軸向的不同取向可以將其分成鋸齒形、扶手椅型和螺旋型三種。其中螺旋型的碳納米管具有手性，而鋸齒形和扶手椅型碳納米管沒有手性。碳納米管可看作是由石墨層卷曲而成的無縫管，當石墨層為單層時，對應的為單壁碳納米管（SingleWalledCarbonNanotubes，SWNTs）；當石墨層為兩層或多層時，則分別對應雙壁或多壁碳納米管。[1]碳納米管的強度和彈性模量極高、熱穩定性極好，可制造高強度、穩定性好的輕型復合增強性功能材料，具有巨大的潛在應用價值。而單壁碳納米管最能體現碳納米管的性質特點，單壁碳納米管的發現與研究已經被Science評為1997年人類十大發現之一，足可證明單壁碳納米管的巨大潛力。圖1由石墨烯片層卷曲成SWNT的示意圖[1]SWNT的合成方法單壁碳納米管的制備方法眾多，其中最為成熟、應用最多的方法主要包括電弧放電法和催化裂解法。除以上兩種方法以外，激光蒸發法、熱解聚合物法、水熱合成法和電解法等方法也被用于單壁碳納米管的制備。[2]電弧放電法電弧放電法是制備碳納米管的傳統方法。1991年Ando教授用電弧放電法制得電極，Iimija教授在制得的電極中發現了碳納米管[3]。其一般工藝通常是在惰性氣氛中，在相距幾毫米的石墨電極之間，在強電流的作用下產生電弧放電，陽極不斷消耗，在陰極表面形成沉積物。同時對陰極進行水冷卻處理，以防止碳管出現過多的缺陷影響碳納米管的質量。電弧放電法制備的碳納米管尺寸小，而且由于陰極沉積物沉積時的溫度太高（電弧能產生4000K高溫），導致所制備的碳納米管缺陷多，且與其他的副產物如無定形碳、納米微粒等雜質燒結于一體，對隨后的分離和提純不利。王淼等人[4]用單根給定長度的含有金屬的復合石墨陽極與陰極成一定角度在高溫氦電弧中放電數分鐘，即可獲得1.0g以上含有60%左右的單壁碳納米管的生成物，反復實驗及電子顯微鏡分析表明，利用該方法和工藝條件，可以獲得高產量、高純度單壁碳納米管，這為高純單壁碳納米管的規模化生產奠定了基礎。王新慶等人[5]鎢以代替傳統的石墨棒作為放電陰極，采取循環式往返放電法，同時利用高分辨透射電子顯微鏡及拉曼光譜對制備的單壁納米碳管進行了觀察、表征，實驗證明：以鎢為陰極的循環電弧放電法可以初步實現單壁納米碳管的高效率、大批量生產。催化裂解法催化裂解法是目前應用廣泛、最易實現大規模生產的一種制備碳納米管的方法。其一般工藝是在高溫下，含碳源的氣體如乙炔、丙烯等流經金屬催化劑（鐵、鈷、鎳等）表面時熱分解出碳原子，碳原子在金屬微粒中擴散，最終在催化劑微粒另一面釋放出來，形成碳納米管。催化裂解法制得的碳納米管產量高，但相對電弧放電法質量較差，管身雖長，但卷曲不直，管徑不均勻，石墨化程度較低，缺陷較多。韋進全等人[6]采用浮動催化裂解法制備單壁碳納米管，以苯為碳源、二茂鐵為催化劑、氫氣為載氣、噻吩為添加劑。實驗后采用掃描電鏡、透射電鏡、高分辨透射電鏡以及拉曼譜等方法對產物進行檢測與評估，實驗表明浮動催化裂解法制備出來的單壁碳納米管直徑約為1nm，直徑分布較均勻，可以半連續、低成本地生產大量單壁碳納米管。朱宏偉等人[7]使用立式浮動催化裂解法制備單壁碳納米管，以正己烷為碳源，實現了單層碳納米管的低成本大批量連續制備，并使用Raman光譜和電子顯微鏡對膜狀、繩狀及網狀產物的直徑分布、結構及純度進行了分析，結果表明該方法制備的單層碳納米管束定向性良好，直徑分布較寬（0.7~2.0nm），純度可達80%以上。SWNT的應用碳納米管具有極高的強度和彈性、優良的熱穩定性，理論上單壁碳納米管的拉伸強度為鋼的100倍，而質量只有鋼的16.7%，延伸率可達20%，是一種絕佳的纖維材料，在電子領域、儲氫和復合材料方面均有極大的應用潛力。電子領域由于單壁碳納米管的頂端可做的極為尖銳，并可在低激發電場下發射電子，加之單壁碳納米管的碳碳鍵作用十分強，可使單壁碳納米管使用時間延長，因此單壁碳納米管可用于制作輕薄省電的平面顯示裝置。另外，單壁碳納米管還可用于制作傳感器、大容量超級電容器、半導體器件等電子器件。儲氫單壁碳納米管具有中空的管道結構，可用于儲存氫氣。碳納米管的碳原子存在一個懸掛鍵，可吸附氣體分子形成共價鍵達到飽和，具有高儲氫量、低質量密度和高穩定性等優點。復合材料單壁碳納米管具有優異的熱力學性質，通過復合可以改善其他材料的性能，在金屬、高分子、陶瓷等材料中加入一定量的碳納米管，不僅可以明顯地提高材料的熱力學性質，而且可以改善基體的電學、磁學性能。結語單壁碳納米管具有強度高、穩定性好等優點，可用電弧放電法、催化裂解法、激光蒸發法、熱解聚合物法、水熱合成法和電解法等方法進行制備，在多個領域如電子材料、儲氫材料、復合材料等領域具有廣闊的應用前景。參考文獻李盼,張錦.單壁碳納米管的結構控制生長.化學進展,2013,25(2/3):168-177.王世敏,許祖勛,傅晶.納米材料制備技術[M].北京:化學工業出版社,2002.14.IijimaS.Helicalmicrotubulesofgraphiticcarbon[J].Nature,1991,354:56-58.王淼,李振華.高純單壁碳納米管大量制備的新方法和工藝條件.物理學報,2001,4(50):790-792.王新慶,王淼,李振華,劉子陽.高效循環電弧放電法制備大量單壁碳納米管的研究.物理學報,2004,