碳纳米管的应用

碳纳米管的应用 摘要:碳纳米管作为一种新兴的纳米 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 ,具有其独特的物理、化学性质和广阔的应用前景。本文综述了碳纳米管近年来在固相萃取吸附剂、催化剂、气体传感器等方面的应用研究进展。 关键词:碳纳米管 应用 储氢材料 催化剂 前景展望 一、前言 上世纪7O年代纳米颗粒材料问世，8O年代中期在实验室合成了纳米块体材料，80年代中期以后，成为材料科学和凝聚态物理研究的前沿热点,纳米 并且纳米材料被誉材料广泛应用于材料工程、生物医药、电子方面等各个领域; 为21世纪的重要材料，是构成未来智能社会的四大支柱之一。 二、碳纳米管的应用 1、储氢材料[1,2] 氢能量蕴含值高，不污染环境，资源丰富，被认为是未来理想的能源，但由于氢气存储困难，其使用受到了很大限制。目前氢气存储 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 主要有金属氢化物、液化、高压储氢及有机氢化物储氢等，它们各自虽有一定优势，但均存在一些弊端。碳纳米管储氢是具有很大发展潜力的应用领域之一，室温常压下，约2/3的氢能从碳纳米管中释放出来，而且可被反复使用。碳纳米管储氢材料在燃料电池系统中用于氢气存储，对电动汽车的发展具有非常重要的意义，可取代现用高压氢气罐，提高电动汽车安全性。研究室碳纳米管储氢已取得许多研究成果，分别获得了单壁碳纳米管4.2wt%，锂掺杂多壁碳纳米管20wt%，钾掺杂多壁碳纳米管14wt%的储氢效果。 2、催化剂材料[3,11] 碳纳米管具有独特的电子、孔腔结构和吸附性能等，在催化方面主要用作催化剂载体，在加氢、脱氢和择形催化反应中显示出很大的应用潜力。它的催化作用主要表现在三个方面:一是提高反应速率;二是决定反应路径，有优良的选择性，如只进行氢化脱氢反应，不发生氢化分解和脱水反应;三是降低反应温度。所以用碳纳米管作为金属催化剂的载体，反应体系的催化效率比以碳作为载体的催化活性高，同时也可满足人们对高效、高稳定性、高的抗中 毒抗老化性的优良催化剂的要求。 3、气体传感器 有研究表明当碳纳米管吸附N02, NH3和02后其导电性会发生明显变化[4,5]，利用这种导电性能的变化碳纳米管可作为气体传感器 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 多种气体。但对于单壁碳纳米管，由于某些气体分了(如CO)等难以在单壁碳纳米管内壁吸附，由单壁碳纳米管制成的传感器不能直接用于检测CO等气体。Peng和Ch0[6]发现用某些化学元素(如B或N)原子将单壁碳纳米管修饰后，管壁可以吸附CO气体，这是由于在单壁碳纳米管表面进行的修饰改变了碳纳米管管壁化学活性导致的。 4、吸波和隐形材料[3,11,14] 碳纳米管具有较强的宽带微波吸收性能同时兼具重量轻、导电性可调变、高温抗氧化性能强和稳定性好等优点，因而它是一种有前途的理想微波吸收剂，可用于隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。刘云芳[15]等采用竖式催化裂化法制备出的碳纳米管，用KOH进行活化，使碳纳米管的比表面积和各种类型的孔结构都得到增加;微波吸收性能的研究表明，采用KOH进行活化的碳纳米管的吸收性能优于未活化碳纳米管的吸收性能，活化还可以使碳纳米管的微波吸收能力加强、吸收频率宽化。 5、超级电容器材料[7] 从储存电能的机理来讲，电化学双电层电容器的储能机理是基于碳电极/电解液界面上电荷分离所产生的双电层电容。 碳纳米管作为一种新型的纳米材料，由于其独特的中空结构和纳米尺寸以及巨大的比表面积和良好的导电性，而被认为是超级电容器的理想候选材料。 6、特殊吸附材料[11] 水中有很多微量的重金属元素或有机物对人体非常有害,常规的吸收剂很难满足要求,碳纳米管优良的吸附能力为这一领域提供了新的前景。Long等的实验表明,碳纳米管对二氧化芑吸附能力比活性碳有显著提高。王曙光等最近报导了碳纳米管优异的除铅能力,发现在同等条件下,碳纳米管的吸附量比活性碳高1倍。碳纳米管优良的吸附能力使其可以成为良好的微污染吸附剂,在环境保护中将有极大的应用前景。 7、固相萃取吸附剂[8] 碳纳米管比表面积较大，具有较强吸附能力，在固相萃取领域有着广泛的应用前景。日前己有文献报道碳纳米管对有机化合物金属离子和有机金属化 合物等环境污染物均具较高的富集能力。Cai等采用多壁碳纳米管富集环境水样中的双酚A, 4一壬基酚,4一辛基酚、酞酸酸二乙醋、酞酸二异丁醋和酞酸二环己醋等有机污染物，结果表明，多壁碳纳米管的富集效率均优于或等同于 -2吸附树脂、P S-D VB(聚乙烯-一乙烯基苯)共聚物和C60C18键合硅胶、XAD 富勒烯等固相萃取吸附剂。 8、在聚合物中的应用[9,10,11] 碳纳米管无缝管状结构和管身良好的石墨化程度赋予了其优异的力学性能，理论估计SWNTS的拉伸强度为钢的100倍，而质量只有钢的1/6，并且延伸率可达到20%，其长度和直径之比可达100一1000，远远超出一般材料的长径比(约为20)，因而被称为“超强纤维”，其性能优于当前的任何纤维，它既具有碳纤维的固有性质，又具有金属材料的导电导热性，陶瓷材料的耐热耐蚀性，纺织纤维的柔软可编性，以及高分子材料的易加工性。正是由于碳纳米管具有奇特的电学性能、很好的柔韧性，良好的化学稳定性、热稳定性及吸附特性可作为复合材料理想的增强体。 9、在生物医药领域的应用[12] 碳纳米管在生物工程领域的应用:碳纳米管在生物传感器方面的应用目前已取得较大进展。使用碳纳米管修饰电极,可以降低化学物质氧化还原反应的过电位,改善生物分子氧化还原可逆性,其大比表面积有利于酶的固定化。Gao等制作了含葡萄糖氧化酶的碳纳米管阵列,这种复合材料制作的电极可以获得较低的葡萄糖氧化电位(0.3 V),避免其他物质的氧化。但是碳纳米管阵列的制备难度相当高,价格也比较昂贵。罗济文等研究发现L-半胱氨酸在单壁碳纳米管修饰玻碳电极上产生的氧化峰电位大大低于其在裸玻碳电极上的电位。该修饰电极可用于测定药物中的L-半胱氨酸含量。唐婷等在表面修饰有羧基化碳纳米管(碳纳米管-COOH)的金电极表面固定末端修饰氨基的寡聚核苷酸,制备新型核酸探针,可以特异性结合目标单链寡聚核苷酸,从而提高了传感器的检测限和灵敏度。 碳纳米管药物疫苗载体系统中的应用:碳纳米管的直径小于毛细血管通路。碳纳米管或含有碳纳米管的复合材料与神经细胞、成骨细胞、纤维原细胞等各种细胞具有很好的生物相容性,因此在养料、药物、疫苗、基因、蛋白质等输送方面有很大的应用潜力。 三、研究现状及展望 经过多年研究,人们对碳纳米管的结构性能有了深入的理解,同时,碳纳米管在材料、电子、生物医药等众多应用领域都取得了突破性的进展。然而,碳纳米管作为新兴纳米材料还存在许多有待解决的问题:?如何实现高质量碳纳米管的连续批量工业化生产。碳纳米管制备现状大致是:多壁碳纳米管能较大量生产,单壁碳纳米管多数处于实验室研制阶段,某些制备方法得到的碳纳米管生长机理还不明确,对碳纳米管的结构(管径、管长、螺旋度、壁厚、管表面石墨碳的结晶度等)还不能做到任意调节和控制,影响碳纳米管的产量、质量及产率的因素太多(如催化剂颗粒的大小、碳源的种类、温度、混合气体的种类及比例等),使制得的碳纳米管都存在杂质高、产率低等缺点,还没有高效的纯化碳纳米管的方法。?如何更深入研究碳纳米管实际应用问题。例如,在常温常压下如何解析氢气及加快其储氢放氢速度。如何提高碳纳米管吸附容量的稳定性和吸附压力的敏感性。怎样才能制备出性能更为优异或能预期其性能的碳纳米管复合材料。再如, 碳纳米管的可溶性和纯化问题仍是研究焦点[13]。要解决这些共同难题,就需要研究人员们一方面突破技术关键,进一步研究开发新的、成本低廉、适合于大规模生产碳纳米管的技术,通过建模和模拟来加强生长现象与机理研究;另一方面继续深入研究其应用,把碳纳米管与各个领域结合起来,充分发挥其自身优异的特性。 尽管目前其生产与应用还存在许多问题,但具有独特性能的碳纳米管作为一种最具市场潜力的新兴纳米技术已成为科技界关注的焦点,一旦其制备技术取得突破及其应用获得深入研究与市场开发,必将带动整个纳米技术的发展,同时也必将带动一系列相关高科技产业的兴起,引发一场新科技革命,那时肯定会在各个领域中产生重大而深远的影响,给整个社会带来巨大的利益。 参考文献: [1] CHEN P, WU X, LIN J, et al. High H2 uptake by alkali-doped carbon nanotubes under ambient pressure and moderate temperatures [J].Science, 1999, 285: 91-93. [2] LIU C, FAN Y Y，LIU M, et al. Hydrogen storage in single-walled carbon nanotubes at room temperature [J].Science, 1999, 286:1127-1129. [3] 张艳荣.碳纳米管的研究现状及应用[J].中国科技信息，2008，(16):36-38 [4]Kong J, Franklin N R, Zhou C W, et al. [J]. Science, 2000, 287:622-625 [5]Kong J, Franklin N R, Zhou C W, et al. [J]. Science, 2000, 287:1801-1804 Lett., 2003, 3:513-517 [6] Peng S, Cho K. [J]. Nanl. [7] 曹萌,丁克强,冬连红.碳纳米管的制备及其在电化学中的应用研究进展[J]. 湖南师范大学自然科学学报,2008,32(1):89-93 [8] 周庆祥,肖军平,汪卫东,周建国.碳纳米管应用研究进展[J].化工进展，2006，25(7):750-754 [9] 宋长文,颜红侠,李朋博,雷平森. 碳纳米管表面改性及其在聚合物中的应用[J].中国塑料,2008,22(1):14-19 碳纳米管的研究进展[J].化学世界，2006,4:238-241. [10] 陶泳，高滋. [11] 曹伟,宋雪梅,王波,严辉. 碳纳米管的研究进展[J].材料导报，2007，(S1):77-82 [12] 白娟,曹济民. 碳纳米管的跨膜转运、生物学效应及应用[J].医学研究杂志，2008，37(2):101-102 [13] 刘晓艳,徐鹏.碳纳米管的开发现状[J].新材料产业,2004,123:13-16. [14] 曹茂盛,高正娟,朱静.CNTs/Polyester复合材料吸收特性研究[J].材料工程,2003,2: 34 [15] 刘云芳,沈增民,于建民.活化碳纳米管的孔结构及微波吸收性能的研究[J].炭素,2005,1:3