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碳纳米管的应用
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碳纳米管的应用 西北大学化学系化学班 李溟 2005110056 摘要：现代社会经常听到纳米一词，碳纳米管虽不是最新的事物，了解它应用范围的人并不是很多。为使更多人知到碳纳米管的具体应用，总结如下。 关键词： 碳纳米管 用途 碳纳米管定义 碳纳米管发展史 碳纳米管的概念 碳 纳 米 管又称巴基管，属富勒碳系，它是由单层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米级管。每层碳纳米管是一个由碳原子通过SPZ杂化与周围3个碳原子完全键合而成的六边形平面组成的圆柱面.由于碳管的直径一般在1-3 0mm之间，而长度可达数米级，长径比在100-1000之间，因此可以将它看成一维的量子线.根据 碳 纳 米管中碳原子层数的不同，碳纳米管大致可分为两类:单壁碳纳米管SWNI'S)和多壁碳纳米管(MWNTS)< SWNTS是由单层碳原子绕合而成的，结构具有较好的对称性和单一性.MWNTS是由许多柱状碳管同轴套构而成，层数在2--50层之间，层与层之间的间距为0.34 run，与石墨中碳原子层与层之间的距离为同一数量级。 碳纳米管的发展史： 碳纳米管的发展历程如下：1991年，日本科学家发现碳纳米管；1992年，科研人员发现碳纳米管随管壁曲卷结构不同而呈现出半导体或良导体的特异导电性；1995年，科学家研究并证实了其优良的场发射性能；1996年，我国科学家实现碳纳米管大面积定向生长；1998年，科研人员应用碳纳米管作电子管阴极；1998年，科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管；1999年，韩国一个研究小组制成碳纳米管阴极彩色显示器样管；2000年，日本科学家制成高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。 碳纳米管的用途： 纳米的用途十分广泛，在介绍时不可能面面具到，主要应用领域概括如下。 一、能源方面—最有代表性的是储氢材料和超级纳米碳纤素电池 储氢材料 清华大学碳纳米材料研究小组近日发现一种经处理后表现出显著储氢性能的碳纳米管，它有望成为新的清洁能源--氢能电池的制造材料。 研究小组的科技人员对定向碳纳米管的电化学储氢特性进行了系统研究，发现这种碳纳米管具有许多全新的力学、电学、热学和光学性能，尤其是将它混以铜粉后表现出的显著的储氢性能。课题小组将碳纳米管制成电极，进行恒流充放电电化学实验，结果表明, 混铜粉定向多壁碳纳米管电极的储氢量是石墨电极的10倍, 是非定向多壁碳纳米管电极的13倍, 比电容量高达1625mAh/g, 对应储氢量为5.7wt％(质量分数),具有优异的电化学储氢性能。根据美国能源部(DOE)对车用储氢技术制订的标准，该研究小组这次发表的实验结果，已经接近其对储氢材料的重量和储氢密度的要求。 该项技术可以应用在燃料电池的制造中，起到持续稳定的氢源的作用。燃料电池是一种不经过燃烧而以电学反应连续把燃料中的化学能直接转换为电能的发电装置。其中，质子交换膜燃料电池(PEMFC)以纯氢为燃料，具有工作温度低、输出功率大、体积小、重量轻、“零排放”的优点，特别适合交通运输工具使用。 超级纳米碳素电池 超级纳米碳纤素电池是中美科学家历时十年时间，投入大量的人力、物力，最新工艺研制的新材料、新技术的最新绿色能源，重量轻，只有铅酸电池的1/10重量，体积只有一般电池的1/16，能量可大的惊人，每克纳米碳纤素电池的表面积比2000M克，每颗纳米材料为10~30nm，长度150mm，光、声、电都产生一般分子级材料难以产生的能量，导电阻接近0，这是一般任何传统电池无法比拟的。该产品具有快速充电的特性，又有突发功率的特性，重量比能量可在170Wh/kg~230Wh/kg之间，而体积比能量可达500W~1000W/L之间，充放电可达1000次以上，寿命长达10年。而价格仅为锂电池的一半。它广泛应用于电动车、潜艇、电力机车等需储能大、重量轻的电动力机械上。它的推出是超导及储能科学的一场革命，为更高性能电化学超级电容器的研究开辟了新的途径。 二 、复合材料领域 高强度碳纤维材料 决定增强型纤维强度的一个关键是长度和直径之比。目前材料材料工程师希望得到的长度直径比至少是20∶1。然而，即使在现在能得到的以纳米计算的长度中，纳米管的长度也是直径的几千倍，因而号称“超级纤维”。它们的强度比钢高100倍，但重量只有钢的六分之一。它们非常微小，5万个并排起来才有人的一根头发那么宽。 催化纤维和膜工业 畔梁及其研究组将硫酸工业和石油化工中应用的重要的催化剂氧化钒灌注进或涂覆在碳纳米管上，氧化钒有时可以到达纳米管管壁的石墨层的间隙中。用氧把碳管氧化掉，就只剩下全部由氧化钒组成的超小型纤维，形状颇似纳米管。这种被制成纳米纤维的氧化钒，因其有极高的表面积，催化效果大大加强。除氧化钒外，碳纳米管还可作为其他金属和金属氧化物催化剂的载体，最大限度地提高催化剂的效率。碳纳米管“列阵”制成的取向膜，可被用作场发射器件，也可被制成滤膜，由于膜也为纳米级，可对某些分子和病毒进行过滤，从而使超滤膜进入一个崭新的天地。 纳米高效、节能、环保汽油完全燃烧电触媒，经供油或由空气滤清器进气泵进入汽油发动机内，使得汽缸中油气混合大量纳米级(100nm)氧化物微粒，由于纳米微粒尺寸小，接触表面积变大（1公克纳米材料表面积约100M2），当接触面积变大，表面能增高，这些表面原子处于严重的缺位（Vacancy）状态，因此活性变为极高，会影响与它接触的物质，使 其变为更活泼，而具有非常良好的感电性，再经汽油发动机之进气、压缩等冲程，造成这些纳米级氧化物微粒本身带电或因高压而带电，使得汽油发动机汽缸中充满数以亿万个同时通电点火的粉尘引爆点，能在瞬间达到汽油充分燃烧，减少缸体内 积碳，从而使车辆动力性能提高，发动机功率增强，节省燃料，改善尾气污染排放。同时增大马力，降低油耗，成为节能、 环保绿色产品，养护并延长发动机寿命。 一个由美国和澳大利亚科学家组成的研究小组开始生产具有独特性能和能在不同领域——从生产家用电器到制作人造股肌肉与太空帆的超薄和超强材料。发表在新一期《科学》杂志上文章指出，这里所指的是利用碳纳米管——大小相当于单个分子的空心合成圆筒制成的带状物。 纳米工艺领域的研究已经几十年了，并早已研制出碳纳米管，但此前谁也不能将纳米管编织成织物。现在美国得克萨斯大学和澳大利亚工业研究机构科学家宣布一项重大突破：他们研制成一种能利用纳米管生产宽度约为7厘米带状物的装置，生产速度为每分钟14米。 科学家证实，这种材料具有独特性能，比钢和任何塑料更坚硬，呈透明状并能弯曲，在加热时能发光。在实验室条件下纳米管织物表现出太阳能电池性能：在太阳光照射下能发出电能，研究人员估计，每平方英里（约258公顷）这种织物仅重77千克。 发明者与观察家们相信，纳米管织物的商业应用不会等待太久，休斯顿莱斯大学化学家安德鲁•巴龙博士认为，下一阶段这种神奇织物可以用来生产更轻和更结实的赛车外壳，并且这样的外壳还可以作为蓄电池。 三、电子领域应用 科技日报华盛顿9月19日电（记者 张孟军） 美国科学家发现，用碳纳米管制成天线，就可以像接收无线电波的天线一样接受光波。 在接收无线电波的天线中，天线的尺寸相当于入射无线电波波长或其波长的一部分。无线电波可激励电子成为电流。对无线电波的这种响应、放大和调制，是无线电广播和电视广播的基础，使之可传输声音和影像。而在光波的情况下，因光波波长为几百纳米，因此难于对其响应、放大和调制。尽管如此，据刚出版的《应用物理通讯》称，由美国华裔科学家王洋领导的美国波士顿学院科学家小组，目前采用碳纳米管观测到对可见光的基本天线效应，入射可见光引起纳米管产生微弱电流。据王洋称，他们想直接测量这些微弱电流，但这要求能处理光频下、电脉冲震荡的“纳米二极管”1015赫兹,但目前还不能获得这种纳米二极管。专家们认为，未来最好的成果是观测到由微弱电流发射的次级辐射。碳纳米管不仅以偶极天线的方式，对入射光做出响应，而且它们还展示极化效应；当入射光在同纳米管方向成直角方向被极化时，响应消失。 对接收可见光纳米天线的实际应用，专家认为，纳米天线可制成光电视，即将电视信号加到在光纤上传送的激光束，而在终端，由一系列纳米管（每个功能类似于高速二极管）将信号解调，而大大提高电视信号的效率和图像的品质。这种纳米天线可成为高效太阳能转化器。即入射光被转化成电荷存储在电容器中，从而可使太阳能转化成电能的效率大大提高。目前传统的利用太阳能发电的方法，是使用大面积太阳能电池板接收阳光，再转化成电能。纳米电子器件 由于碳纳米管壁能被某些化学反应所“溶解”，因此它们可以作为易于处理的模具。只要用金属灌满碳纳米管，然后把碳层腐蚀掉，即可得到纳米尺度的导线。目前，除此之外无其他可靠的方法来得到纳米尺度的金属导线。本法可进一步地缩小微电子技术的尺寸，从而达到纳米的尺度。理论计算表明，碳纳米管的电导取决于它们的直径和晶体结构。某些管径的碳纳米管是良好的导体，而另外一些管径的则可能是半导体。现在日本NEC公司的研究人员证实巴基管具有比普通石墨材料更好的导电性，因此碳纳米管不仅可用于制造纳米导线的模具，而且还能够用来制造导线本身。物理学家Broughton J Q认为将来可以采用碳纳米管制造出分子水平的线圈筒、活塞和泵等微型零件来组装成微型引擎或其他装置，来恢复病体功能。利用碳纳米管的电子特性，可用来制作晶体管开头电路或微型传感器元件。它还可以做为锂离子电池的正极和负极，使电池寿命增长，充放电性能好。此外碳纳米管被认为是制造新一代平面显示屏极有希望的材料。 四、 医疗领域 及生物工程 在美国加利福尼亚大学莱斯利•威尔逊和齐鲁斯•萨费尼亚博士领导下研制成的一种所谓“智能”生物纳米管，将来能在人体内运送药物。 在实验过程中，研究人员利用从母牛脑组织中萃取的微细管，微细管是能进入细胞骨骼的纳米大小圆柱体，在人体内微细管能完成几种功能，其中包括实现物质运输和神经脉冲传递。 研究发现，在带负电的微细管与带正电的脂膜相互作用时会发生微细“容器”的自行组合，不仅如此，如果对含有这些微细管的溶液加上电压，则可以改变“容器”的形状，打开“容器”的两端或其中一端。这种“容器”的外部直径大约为40纳米，而其内径约为16纳米。 科学家认为，将来在生物“容器”内部可以放入药物，并可以在任何所需地点释放药物。研究人员已经进行了一系列实验，证明新方法可靠有效。不过，科学家目前尚未作出很快就能实际应用“智能”生物纳米管的预测。 生物的分子组件(Living molecular components) 生物分子世界里，结构与功能扮演重要角色，而维持细胞功能是由细胞质液内的丝状蛋白所维持，也就是所谓细胞骨架(Cytoskeleton)。细胞骨架提供细胞机械性支撑以维持细胞形状，细胞骨架至少由三种纤维组成，微管(Microtubules)、微丝(Microfilament)、中间丝(Intermediate filament)。微管为中空管状，由a和b管蛋白组成双体，微管外径为25nm，内径15nm，主要功能为细胞的运动。微丝为两条绞合的肌动蛋白(Actin)链组成，直径为7nm，另有肌凝蛋白(Myosin)，这两种蛋白负责肌肉收缩与细胞运动。而中间丝为纤维蛋白超绞结而成，直径为8-12nm，目的在维持细胞的形状。我们发现细胞骨架结构几乎是奈米单位组成，在如此微细成份中却影响到整个生物分子运转。例如细胞骨架中的微管和微丝在细胞运动功能中靠一种蛋白质复合物相互作用完成的，此蛋白质复合物叫做运动分子(Motor molecules)。各种不同形式的运动分子是藉由改变形状来达到目的，每次改变形状都是释放游离一端，并沿着微管或微丝伸向远程。 比方说，在细胞的肌肉学里面，如阿米巴原虫的变形虫运动，其实是一连串分子的事件。另外，著名的"生物马达"微生物的鞭毛(Flagella)运动，其一跟鞭毛的挥动即具有推动整个微生物前进的推进力，因此常被用来当作生物组件作为奈米机械的一个例子。其原理是利用微管的滑动，微管在鞭毛中的排列为"9+2"的特殊结构，9个绕成一圈的微管两两成对(双胞胎)，2个在中心的微管则为单独(Singlet)排排站，前段所述微管中具a与b dimer的蛋白质称tubulin (42k)，并有dynein (400k)，扮演类似骨胳肌中myosin的角色，tubulin与dynein两种蛋白质局部结合而彼此滑动(Slide)，造成此两种纤维缩短，故可发挥力的"收缩状态"。 自然界的机械原理常是在运用蛋白质的结构变动，而且这些工作单位都是在奈米级的。这么小的一个工作机器，却可以产生足以让整个微生物变形或移动所需要的力道，而在第一部分所提的人工DNA奈米机械应该也有类似潜力，操作一些自然界可能原先并没有去操作的功能。利用蛋白质分子的移动和作功原理，我们称为"生物机械系统"(Molecular machine system)，利用此生物分子组件工作原理可应用于其它之科技产业。如何利用生物分子微小能量，转换成巨大力量，将是未来努力方向。 五、环境保护领域 利用纳米级集尘灰微粒的特性，发展新的保湿材料，大幅提升土壤之保水能力，提高绿化成功率与速度，为本项目发展目标。希望借着此一新技术的开发与应用，可以有效解决沙漠化地带土壤风化和水份流失，造成土壤逐步荒漠化之危机。 结束语 碳纳 米 管 以其特殊的结构，奇特的力学、化学、电子学性能，极其广泛的应用范围和极具潜力的应用价值，吸引了全世界科学家的关注。有关碳纳米管的研究也更加深入，成为当前重要的国际前沿课题之一，我国科学家在这一领域己经取得了若干重要进展。碳纳米管具 有非常光明的前景，可以相信在未来10年内，随着碳纳米管应用技术及产品的开发，碳纳米管将会对众多领域产生重大而深刻的影响，并给人类带来巨大的利益。 参考文献 （！）韩蜂等，新型材料一碳纳米管，江苏化工，2001, Vol.29,No.4,35-37. （2）播套旭，扩敌火焰合成碳纳米管研究，新型炭材料2001,Vol.16,No.3,24-27. （3）孙晓 刚娜，碳纳米管的生产及应用，人工晶体学报，2001.V ol.30 ,No .4, 39 8-403 （4）张 文 毓 ，碳纳米管及其应用，万方数据库。 （5）----， ----- ，-------- ，中国材料投资网。 |
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