准一维纳米碳材料类别与典型应用,无机化学论文.docx

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1、准一维纳米碳材料类别与典型应用,无机化学论文当下，低维纳米材料以其独特的构造和性质遭到了世界科技、经济和社会各界的高度关注，是材料前沿研究的热门领域之一。从空间而言，低维纳米材料能够按零维颗粒状、一维线状、二维层状进行分类。准一维纳米材料通常是指仅沿某一个维度生长、而在其他维度限制生长的纳米材料。由于这类纳米材料的构造高度各向异性，其性质往往也呈现各向异性，再加上能够通太多种方式方法使其功能化，在将来的纳米材料、纳米器件、纳米机械等研究领域具有多样而奇特的应用前景。准一维纳米材料包括如下类别：纳米线nanowiren，纳米管nanotube，纳米带nanoribbon和纳米导线nanoline

2、等。本文仅对准一维纳米碳材料及其制备方式方法进行概述，并对其典型应用领域进行介绍。1准一维纳米碳材料及其制备1.1碳纳米管碳纳米管CarbonNanotubes,简写CNTS较早被发现。因CNTS具有尺寸较小、比外表大、界面效应强等特点而备受研究者的青睐。CNTS的制备方式方法包括：激光蒸发法、电弧放电法、化学汽相沉积CVD法等。Bandow等1人激光蒸发法对实验设备进行了改良，初次成功制得高质量的单壁CNTS.该方式方法的基本原理是激光束的热量加热石墨靶，使之生成气态碳。这些气态碳原子和催化剂粒子，在催化剂作用下使碳原子生长成CNTS.1.2碳纳米棒碳纳米棒是不同于纳米管的另一种纳米材料，主

3、要差异就是其内部为实芯。其制备方式方法包括：电弧放电法、激光蒸发法和CVD法等。Song等2采用C2H2为碳源，采用Si为衬底的Fe基催化剂，实验温度为973，用CVD法制备出碳纳米棒。1.3碳纳米带顾名思义，纳米带是带状构造的。它们的横截面均是矩型，一般宽厚比要大于10.纳米带具有显着的特点，这就是它们有完好的习性晶面。纳米带的晶体构造呈各向异性，不同晶面有不同的外表能，物理性质差异显着。这一特点在晶体生长及其控制中有重要价值，人们通过控制晶体某些特定晶面的生长，就能够实现晶体的功能设计和制备。纳米带的缺点是没有纳米管那样的高构造强度。但纳米带的生产经过简单可控，有利于保证批量产品的质量。碳

4、纳米带的制备方式方法有电弧放电法、CVD法等。Mahanandia等3以四氢呋喃为碳源，使用二茂铁为催化剂，不用惰性气体载气，采用CVD法在石英管内壁上沉积，制得碳纳米带。1.4碳纳米纤维碳纳米纤维是由多层石墨片层卷曲而成的，长度为0.5100m,直径为10500nm,是介于CNTS和普通碳纤维之间的准一维碳材料。碳纳米纤维有大的比外表积，优异物理、化学性质和化学稳定性，和较好的导电性能。其制备方式方法有电弧放电法和静电纺丝法等。Pacheco-sotel等4采用电弧放电法制得碳纳米纤维，平均直径为80nm、外表干净。1.5碳纳米卷碳纳米卷是由单层或多层石墨烯薄片卷绕而构成的，构造非封闭，壁间

5、距可调。碳纳米卷的常用制备方式方法有电弧放电法、超声剥离法、异丙醇卷起单层石墨片层发。1960年，在压强为9.2Mpa的氩气中、温度为3600的实验条件下，Braga5用电弧放电法，成功获得长度约5cm、平均直径约为5mm的石墨晶丝。当前，批量生产碳纳米卷的工业方式方法尚未见报道。能够讲，实验制备高质量的碳纳米卷难度很大、成本较高，研究者更愿意用一些材料设计软件先进行虚拟研究设计研究，再实验制备。2准一维纳米碳材料的典型应用2.1储氢材料氢气是一种极为理想的代替石油、煤等不可再生资源的能源，它的优点是含量大便于制取、清洁无污染。当前，阻碍氢气能源应用的主要是储存问题。CNTS则为氢能储存提供了

6、新方式方法。Zacharia等6在CNTS中掺入金属粒子，研究纯CNTS和掺杂CNTS对氢分子的吸附行为。研究结果揭示，在CNTS中掺杂纳米金属粒子不仅能够提升其吸氢速率，而且能够大大提高其储氢容量。2.2场发射器件CNTS具有很高的电子态密度，且其直径仅有几个纳米，因此其附近易于建立强电场，进而将电子从纳米管顶部发射出去。大量实验研究结果证实，CNTS具有优异的场致电子发射能力。Cui等7采用CVD法制得CNTS.他们研究发现，随着温度的增加CNTS的场发射性质显着改善。CNTS阵列制备研究的进展是重要突破，这使得人们能把数以万计的CNTS有序排列在基片上。显然，这有力地促进CNTS阵列在场

7、发射领域的应用开发。2.3化学传感器利用CNTS导电性能与吸附气体的关系，人们研制了基于CNTS的化学气体传感器，它们能够检测多种气体。例如，Merkoci等8基于CNTS制成具有极高的灵敏度的电化学传感器。其原理是CNTS能够提升电子迁移速率，而金属铂具有催化性能，他们用CNTS对铂碳电极外表进行修饰，进而使传感器兼有这两个特性，提升了传感器的灵敏度。2.4水处理材料CNTS具有微孔构造、较大的比外表积和多种吸附中心。因此成为人们期望的优质微污染吸附剂、正在探寻求索将它们应用于水处理等环境治理和生态保卫领域。2.5其它应用CNTS上有一些悬浮键，与高分子材料复合时，结合界面有化学键构成、结合

8、牢固，进而得到性能优异的复合材料。如该类复合材料的弹性、强度、抗静电性、吸收微波性等不一而足。CNTS复合材料的优异性能可使其广泛应用于电磁干扰屏蔽材料、合成纤维、隐身材料、导电或抗静电塑料等众多行业。碳纳米带还可应用于平板显示，由于它的高的电导率和高的光学透明性，使其在平板显示、太阳能、光电子领域都有潜在的应用价值。3结束语准一维纳米碳材料具有极高的科研和潜在的应用价值。当前，在其制备和应用研究方面获得了一定的成就，尤其是在CNTS和碳纳米纤维。固然对CNTS和碳纳米纤维的生成机理研究的比拟成熟，但对于其它准一维纳米碳材料确切的生长机理还没有完全把握，其制备大多处于实验研究阶段。在应用研究方面，对准一维纳米碳材料构造和性能之间的关系的研究还不够系统深切进入，还需要进行大量的性质以及应用基础研究。 以下为参考文献 1BandowS,AsakaS,SaitoYetal.生长温度对于单壁碳纳米管的直径分布和手性的影响J.物理学评论通讯，1998.2刘强，刘伟，崔志民，宋卫国。双支K接点碳纳米管和纳米棒的3D合成与表征J.Carbon,2007.3MahanandiaP,NandaKK,PrasadVetal.碳纳米带和单晶铁填充碳纳米管的合成与表征J.材料研究公告，2008.