碳纳米管的性质及其应用

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【摘要】综述了碳纳米管的结构、性质及其应用，指出碳纳米管可看作是石墨烯片按照一定的角度卷曲而成的纳米级无缝管状物，根据层数不同可分为多壁碳纳米管和单壁碳纳米管。碳纳米管具备良好的电学性能、热学性能及化学与电化学性能，在各个领域应用广泛。

【关键词】碳纳米管 性能 应用

碳是地球上最丰富的元素之一，它以多种形态广泛存在于大气和地壳之中。自1985年Smalley用烟火法成功制得C60以来，碳纳米管、碳微米管和石墨烯等多种碳结构逐渐进入人们的视线。碳纳米管作为C60制备的副产物，较早被人们发现。

一、碳纳米管的结构

碳纳米管（carbon nanotubes，CNTs），又称巴基管（buckytube），属于富勒碳系（fullerene），是在C60不断深入研究中发现的。

碳纳米管是由单层或多层石墨片围绕同一中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管结构，两端通常被由五元环和七元环参与形成的半球形大富勒烯分子封住，每层纳米管的管壁是一个由碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形网络平面所围成的圆柱面。CNT 根据管状物的石墨片层数可以分为单壁碳纳米管（single- walled carbon nanotubes，SWNTs） 和多壁碳纳米管（multi- walled carbon nanotubes，MWNTs）。

二、碳纳米管的性能及应用

（一）电学性能及应用

碳纳米管是优良的一维介质，由于碳纳米管的特殊管状结构，管壁上的石墨片经过了一定角度的弯曲，导致量子限域和σ-π再杂化，其中3个σ键稍微偏离平面，而离域的π轨道则更加偏离管的外侧，这使得π电子能集中在碳纳米管管壁外表面上（轴向）高速流动，但在径向上，由于层与层之间存在较大空隙，电子的运动受限，因此它们的波矢是沿轴向的，这种特殊的结构使得碳纳米管具有优异的电学性能，可用于量子导线和晶体管等。

（1）量子导线。CNT可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线，Tang等在研究具有较小直径的SWNT磁传导特性时发现，在温度低于20K时，直径为0.4nm的CNT具有明显的超导效应，这也预示着CNT在超导领域的应用前景。

（2）晶体管。Soh等成功制备出碳纳米管晶体管阵列，这种单分子晶体管是现有硅晶体管尺寸的 1/500，可使集成电路的尺寸降低2个数量级以上。用碳纳米管做晶体管，其电流密度高，可消除短沟效应，突破硅场效应晶体管的物理极限。碳纳米管构成的纳米电子器件具有尺寸小、速度高、低功耗和低造价等优势，它将替代硅材料成为后摩尔时代的重要电子材料。

（二）热学性能及应用

碳纳米管由卷曲的石墨片构成，具有巨大长径比和石墨导热率高的特点，因而其轴向方向的热交换性能很高，相对其径向方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成各向异性高的热传导材料。

（三）化学与电化学性能及应用

碳纳米管有中空管状的特殊结构以及巨大的长径比，管壁上是石墨烯结构，管壁的层与层之间充满着空隙，因此碳纳米管具有很高的比表面积，使得大量气体分子、电子和离子等能吸附在管的间隙、内腔及管的表面，并能迅速移动，因而碳纳米管可以应用于锂离子电池材料、电容器和储氢材料等领域。

（1）锂离子电池。碳纳米管的中空管腔、管与管之间的间隙、管壁中层与层之间的空隙及管结构中的各种缺陷，使其具有优越的嵌锂特性。此外，碳纳米管稳定的筒状结构在多次充放电循环后不会塌陷、破裂或粉化，从而大大提高了锂离子电池性能和循环寿命。碳纳米管优异的导电导热性，可以提高锂离子电池的大倍率充放电性能和安全性能，因此碳纳米管在锂离子电池研究领域具有较大的优势。

（2）超级电容器。超级电容器要求材料结晶度高、导电性好、比表面积大，微孔大小集中在一定的范围内。目前一般用多孔炭作电极材料，但是其微孔分布宽，结晶度低，导电性差，容量小的缺点，限制了双电层电容器在更广阔范围内使用。

碳纳米管比表面积大，结晶度高，导电性好，微孔大小可通过合成工艺加以控制，交互缠绕可形成纳米尺度的网状结构，因而是一种理想的双层电容器电极材料。由于碳纳米管具有开放的多孔结构，并能在与电解质的交界面形成双电层，从而聚集大量电荷，因而具有很高的容量和循环寿命。碳纳米管超级电容器是已知的最大容量的电容器，存在着巨大的商业价值。

（3）储氢材料。氢是一种可再生清洁能源，但其成本高昂、操作困难，利用率低等缺点严重制约着氢能的开发和利用，因此迫切需要开发一种优良的储氢材料。碳纳米管的特殊微观结构可吸附大量的氢气，其作为新型的储氢材料已获各方关注。

研究发现，经过预处理的碳纳米管具有一定的储氢能力，而且其常温常压下氢气的释放效率也较高，释放后的碳纳米管还可以重复利用，这为储氢材料的研究开辟了更广阔的应用前景。通过比较不同方法制备的不同尺寸、不同定向以及不同预处理的碳纳米管的储氢能力后发现，定向度高，纯度高的碳管其储氢量多；经过酸处理两端开口的碳管的储氢量能有很大的提高；管径大的碳管的储氢量比管径小的碳管的储氢量高。SWNT比MWNT的储氢量高。

参考文献：

[1]Tang Z K，Zhang Lingyun，Wang N，et al. Superconduc-tivity in 4 angstrom single- walled carbon nanotubes[J].Science，2001，（5526）.

[2]Wen Qian，Qian Weizhong，Nie Jingqi，et al.100 mmlong，semiconducting triple- walled carbon nanotubes[J].Advanced Materials，2010，（16）.