纳米碳材料

分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料

纳米碳材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料。分散相既可以由碳原子组成，也可以由异种原子（非碳原子）组成，甚至可以是纳米孔。纳米碳材料主要包括三种类型：碳纳米管，碳纳米纤维，纳米碳球。

内容简介

近年来，碳纳米技术的研究相当活跃，多种多样的纳米碳结晶、针状、棒状、桶状等层出不穷。2000年德国和美国科学家还制备出由20个碳原子组成的空心笼状分子。根据理论推算，包含20个碳原子仅是由正五边形构成的，C60分子是富勒烯式结构分子中最小的一种，考虑到原子间结合的角度、力度等问题，人们一直认为这类分子很不稳定，难以存在。德、美科学家制出了C60笼状分子为材料学领域解决了一个重要的研究课题。碳纳米材料中纳米碳纤维、纳米碳管等新型碳材料具有许多优异的物理和化学特性，被广泛地应用于诸多领域。

材料介绍

碳元素是自然界中存在的与人类最密切相关、最重要的元素之一，它具有SP、SP2、SP3杂化的多样电子轨道特性，在加之SP2的异向性导致晶体的各向导性和其它排列的各向导性。因此以碳元素为唯一构成元素的碳素材料具有各式各样的性质，并且新碳素相合新碳素材料还不断被发现和人工制得。事实上，没有任何元素能像碳这样作为单一元素可形成像三维金刚石晶体、二维石墨层片、一维卡宾和碳纳米管、零维富勒烯分子等如此之多的结构与性质完全不同的物质。表1给出了碳的化学键合及其形成的各种典型有机物、无机物和碳相的例子。

表1 碳的化学键合及其形成的化合物和碳相

表2 碳素系功能材料的种类

科学家们逐渐发现碳素材料在硬度、光学特性、耐热性、耐辐射特性、耐化学药品特性、电绝缘性、导电性、表面与界面特性等方面比其它材料优异，可以说碳材料几乎包括了地球上所有物质所具有的特性，如最硬－最软，绝缘体－半导体－良导体，绝热－良导热，全吸光－全透光等，因此具有广泛的用途，如表2所列。

产品类型

碳纳米管

碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体，一般可分为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和双壁碳纳米管。

碳纤维

分为丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维两种。碳纤维质轻于铝而强力高于钢，它的比重是铁的1/4，强力是铁的10倍，除了有高超的强力外，其化学性能非常稳定，耐腐蚀性高，同时耐高温和低温、耐辐射、消臭。碳纤维可以使用在各种不同的领域，由于制造成本高，大量用于航空器材、运动器械、建筑工程的结构材料。美国伊利诺伊大学发明了一种廉价碳纤维，有高强力的韧性，同时有很强劲的吸附能力、能过滤有毒的气体和有害的生物，可用于制造防毒衣、面罩、手套和防护性服装等。

碳球

根据尺寸大小将碳球分为：(1)富勒烯族系Cn和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构，直径在2—20nm之间)，如C60，C70等；(2)未完全石墨化的纳米碳球，直径在50nm一1μm之间；(3)碳微珠，直径在11μm以上。另外，根据碳球的结构形貌可分为空心碳球、实心硬碳球、多孔碳球、核壳结构碳球和胶状碳球等。

合成方法

（1）激光蒸发石墨法：此方法是在使用金属催化剂的情况下，用脉冲激光轰击石墨表面，在石墨表面产生纳米级碳材料。

（2）等离子体喷射沉积法：此方法是将离子喷射的钨电极(阴极)和铜电极(阳极)进行水冷却，当Ar/He载气挟带苯蒸气通过等离子体炬后，会在阳极的表面上沉积出含有纳米级碳材料的碳灰。

（3）凝聚相电解生成法：其采用石墨电极(电解槽为阳极)，在约600℃的温度及氩气保护的条件下，以一定的电压和电流电解熔融的卤化碱盐，电解生成了形式多样的碳纳米材料。

（4）石墨电弧法：石墨电弧法是用石墨电极在一定气氛中放电，从阴极沉积物中收集碳纳米材料的方法。

（5）化学气相沉积法：是制备碳材料所广泛使用的方法，它又可分为有催化化学气相沉积和无催化化学气相沉积。把含有碳源的气体(或蒸气)流经催化剂表面时进行催化分解。乙烯、乙炔、苯乙烯、苯、甲苯、甲烷等通常用作碳源，这些一般都是化学性质比较活泼的含有不饱和化学键的化合物；过渡金属、稀有金属或金属氧化物常常用作催化剂；氩气、氮气或氢气等通常用作载气。无催化气相沉积则不用任何催化剂，直接在保护气氛下热分解气相含碳有机物。

碳纳米管

碳纳米管又叫巴基管，由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管

力学

超强纤维：碳纳米管具有弹性高、密度低、绝热性好、强度高、隐身性优越、红外吸收性好、疏水性强等优点，它可以与普通纤维混纺来制成防弹保暖隐身的军用装备。

材料增强体：用于增强金属、陶瓷和有机材料等。并且结合碳纳米管的导热导电特性，能够制备自愈合材料。

隐身材料

碳纳米管对红外和电磁波有隐身作用：纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率；纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3～4个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多。

因此，红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，很难发现被探测目标，起到了隐身作用。由于发射到该材料表面的电磁波被吸收，不产生反射,因此而达到隐形效果。

能源

储氢材料：按5人座的轿车行使500公里计算，需要3.1Kg的氢气，以正常的油箱体积计算，氢气的存储密度应有6.5wt%，储氢材料都不能满足这一要求。碳纳米管由于其管道结构及多壁碳管之间的类石墨层空隙，使其成为最有潜力的储氢材料，国外学者证明在室温和不到1bar的压力下，单壁碳管可以吸附氢气5-10wt%。

根据理论推算和近期反复验证，普遍认为碳纳米管的可逆储/放氢量在5wt%左右，即使5wt%，也是迄今为止最好的储氢材料。

锂离子电池：锂离子电池正朝高能量密度方向发展，最终为电动汽车配套，并真正成为工业应用的非化石发电的绿色可持续能源，因此要求材料具有高的可逆容量。

碳纳米管的层间距略大于石墨的层间距，充放电容量大于石墨，而且碳纳米管的筒状结构在多次充-放电循环后不会塌陷，循环性好。碱金属如锂离子和碳纳米管有强的相互作用。用碳纳米管做负极材料做成的锂电池的首次放电容量高达1600mAh/g，可逆容量为700mAh/g，远大于石墨的理论可逆容量372mAh/g。

纳米器件

纳米导线：碳纳米管的直径仅数纳米至数十纳米，耐电流密度可达铜的100多倍，可以作为超级耐高电流密度的布线材料，半导体型的碳纳米管还可以用来构筑纳米场效应晶体管、单电子晶体管等纳米器件，变频器、逻辑电路以及环形振荡器等各种逻辑电路。

IBM的研究人员已经在单一“碳纳米管”分子上构建了首个的完整电子集成电路，比当今的硅半导体技术具有更为强大的性能，具有里程碑式的重大意义。

电子器件

场致发射：纳米级发射尖端、大长径比、高强度、高韧性、良好的热稳定性和导电性等，使得碳纳米管成为理想的场致发射材料!有望在冷发射电子枪、平板显示器等众多领域中获得应用。

日本已制出该类技术的彩色电视机样机，其图象分辨率是已知其它技术所不可能达到的。用碳纳米管制成的电子枪与传统的相比，不但具有在空气中稳定、易制作的特点，而且具有较低的工作电压和大的发射电流，适用于制造大的平面显示器。

使用具有高度定向性的单壁碳纳米管作为电子发送材料，不但可以使屏幕成像更清晰，还可以缩短电子到屏幕之间的距离，使得制造更薄的壁挂电视成为可能。

新型的电子探针：碳纳米管具有大长径比、纳米尺度尖端、高模量，是理想的电子探针材料。不易折断：即使与被观察物体的表面发生碰撞，纳米碳管也不易折断，碳纳米管可与被观察物体进行软接触。

灵活性高：碳纳米管笼状碳网状结构，可以进入观察物体不光滑表面的凹陷处。能更好显现被观察物体的表面形貌和状态，有很好的重现性。

用碳纳米管作为这类电子显微镜的探针，不仅可以延长探针的使用寿命，而且可极大的提高显微镜的分辨率。特别是扩展了原子力显微镜等探针型显微镜在蛋白质、生物大分子结构的观察和表征中的应用。

超级电容器：多孔碳不但微孔分布宽（对存储能量有贡献的孔不到30%），而且结晶度低，导电性差，容量小。碳纳米管结晶度高、导电性好、比表面积大、微孔大小可通过合成工艺加以控制，比表面利用率可达100%，超级电容器极限容量骤然上升了3-4个数量级，循环寿命在万次以上（使用年限超过5年）。在移动通讯、信息技术、电动汽车、航空航天和国防科技等方面具有极其重要和广阔的应用前景。

大功率超级电容器：快速充放电特性：在汽车启动和爬坡时快速提供大电流及大功率电流，在正常行驶时由蓄电池快速充电；在刹车时快速存储发电机产生的大电流，这可减少电动车辆对蓄电池大电流充电的限制，大大延长蓄电池的使用寿命，提高电动汽车的实用性；对于燃料电池电动汽车的启动更是不可少的。若其容量能进一步提高，可望取代电池使用。

传感器

传感器：碳纳米管吸附某些气体之后，导电性发生明显改变，因此可将碳纳米管做成气敏元件对气体实施探测报警。在碳纳米管内填充光敏、湿敏、压敏等材料，还可以制成纳米级的各种功能传感器。纳米管传感器将会是一个很大的产业。

纳米机械

纳米机械：美国中国和巴西的科学家发明了能称量亿亿分之二百克的单个病毒的“纳米秤”，通过测量振动频率可以测出粘结在悬臂梁一端的颗粒的质量。

莫斯科大学的研究人员将少量纳米管置于29Kpa的水压下(相当于水下18000千米深的压力)做实验。不料，未加到预定压力的1/3，纳米管就被压扁了。他们马上卸去压力，它却像弹簧一样立即恢复了原来形状。于是，科学家得到启发，发明了用碳纳米管制成像纸张一样薄的弹簧，用作汽车或火车的减震装置，可大大减轻车辆的重量。

催化

由于碳纳米管具有纳米级的内径，类似石墨的碳六元环网和大量未成键的电子，可选择吸附和活化一些较惰性的分子，研究发现其在600℃的催化活性优于贵金属铑，并很稳定。这将在石化和化工产业界带来不可估量的革新和效益。特点：高稳定性、高比表面积、便于化学处理等。

碳纳米管与金属离子之间的相互作用，使金属离子能在常温下自动趋于还原态，这对金属纳米导线的制备无疑很有裨益。

富勒烯

结构

克罗托受建筑学家理查德·巴克明斯特·富勒（RichardBuckminster Fuller，1895年7月12日~1983年7月1日）设计的美国万国博览馆球形圆顶薄壳建筑的启发，认为C60可能具有类似球体的结构，因此将其命名为buckminster fullerene（巴克明斯特·富勒烯，简称富勒烯）。

富勒烯是一系列纯碳组成的原子簇的总称。它们是由非平面的五元环、六元环等构成的封闭式空心球形或椭球形结构的共轭烯。现已分离得到其中的几种，如C60和C70等。在若干可能的富勒烯结构中C60，C240，C540和直径比为1:2:3。

C60的分子结构的确为球形32面体，它是由60个碳原子以20个六元环和12个五元环连接而成的足球状空心对称分子，所以，富勒烯也被称为足球烯。

性质和应用

C60有润滑性，可能成为超级润滑剂。金属掺杂的C60有超导性，是有发展前途的超导材料。C60还可能在半导体、催化剂、蓄电池材料和药物等许多领域得到应用。C60分子可以和金属结合，也可以和非金属负离子结合。C60是既有科学价值又有应用前景的化合物，在生命科学、医学、天体物理等领域也有一定的意义。

富勒烯的成员还有C78、C82、C84、C90、C96等也有管状等其他形状。

纳米多孔碳

分类：微孔材料<2 nm；介孔材料2 nm~50 nm；大孔材料>50 nm。

优点：高比表面积、高热导率、高电导率、高稳定性、高化学惰性、低密度等。

应用前景：气体吸附、水净化催化载体、电化学双层电容器、电极材料、生物传感器和太阳能电池等。

环境治理：气体和水净化的关键材料。

多孔碳的应用：电化学双层电容器、催化载体、有机生物分子吸附载体、高灵敏生物传感器电极、太阳能电池。

研究进展