碳纳米管复合物修饰电极的研究及应用文献综述

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1、文献综述碳纳米管复合物修饰电极的研究及应用1．前言碳纳米管，被称为21世纪的“梦幻材料”，是由自然界最稳定的碳碳共价键组成的完美结构、直径为纳米级的管状大分子。自从1991年被发现以来，由于其独特的结构和奇特的力学、电学、热学等特性以及其潜在的应用前景而倍受人们的关注。作为石墨、金刚石等碳晶体家族的新成员，碳纳米管韧性很高，导电性极强，场发射性能优良，兼具金属性和半导体性。因为性能奇特，被科学家称为未来的“超级纤维”。应用覆盖材料、化学、化工、生物、电子、热学和能源等多个领域。碳纳米管是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级）的

2、一维量子材料，主要由呈六边形排列的碳原子构成数层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约0.34nm。碳纳米管独特的结构使其具有良好的性能：抗拉强度是钢的100倍，但重量不及钢的1/6；韧性高；稳定性好；抗离子轰击能力强；导电性强；比表面积大；兼具金属和半导体的性质；轴向导热性好；电磁屏蔽优越。碳纳米管属于晶态碳，其管壁与石墨结构一样。通常，大批量生产的低维纳米材料本身存在着许多缺陷，分散性也比较差。特别是碳纳米管的表面结构往往影响电学、力学和光学等诸多性能。这些因素降低了碳纳米管作为纳米材料的优越性能，影响了碳纳米管的应用。为了改善碳纳米管表面

3、结构，一般采用表面修饰方法，从而改善或改变碳纳米管的分散性、稳定性以及与其他物质之间的相容性，赋予其新的物理、化学、机械性能和新的功能[5]。为此，国内外的研究者对碳纳米管开展了各种表面修饰方法研究。2.碳纳米管的制备方法碳纳米管的合成技术主要有：电弧法、激光烧蚀(蒸发)法、催化裂解或催化化学气相沉积法(CCVD),以及在各种合成技术基础上产生的定向控制生长法等。2．1电弧法：利用石墨电极放电获得碳纳米管是各种合成技术中研究得最早的一种。研究者在优化电弧放电法制取碳纳米管方面做了大量的工作。T.W.Ebbeseo[2]在He保护介质中石墨电弧放电

4、，首次使碳纳米管的合成达到了克量级。为减少相互缠绕的碳纳米管在阴极上的烧结，D.T.Collbert[3]将石墨阴极与水冷铜阴极座连接，大大减少了碳纳米管缺陷。C.Journet[4]等在阳极中填人石墨粉末和铱的混合物，实现了SWNTs的大量制备。研究发现，铁组金属、一些稀土金属和铂族元素或以单个金属或以二金属混合物均能催化SWNTs合成。近年来，人们除通过调节电流、电压，改变气压及流速，改变电极组成，改进电极进给方式等优化电弧放电工艺外，还通过改变打弧介质，简化电弧装置。综上所述，电弧法在制备碳纳米管的过程中通过改变电弧放电条件、催化剂、电极尺

5、寸、进料方式、极间距离以及原料种类等手段而日渐成熟。电弧法得到的碳纳米管形直，壁簿(多壁甚至单壁).但产率偏低，电弧放电过程难以控制，制备成本偏高其工业化规模生产还需探索。2．2催化裂解法或催化化学气相沉积法(CCVD)催化裂解法是目前应用较为广泛的一种制备碳纳米管的方法。该方法主要采用过渡金属作催化剂，适于碳纳米管的大规模制备，产物中的碳纳米管含量较高，但碳纳米管的缺陷较多。催化裂解法制备碳纳米管所需的设备和工艺都比较简单，关键是催化剂的制备和分散。目前用催化裂解法制备碳纳米管的研究主要集中在以下两个方面：大规模制备无序的、非定向的碳纳米管;制

6、备离散分布、定向排列的碳纳米管列阵。一般选用Fe,Co、Ni及其合金作催化剂，粘土、二氧化硅、硅藻土、氧化铝及氧化镁等作载体，乙炔、丙烯及甲烷等作碳源，氢气、氮气、氦气、氩气或氨气作稀释气，在530℃~1130℃范围内，碳氢化合物裂解产生的自由碳离子在催化剂作用下可生成单壁或多壁碳纳米管。1993年Yacaman等人[5]采用此方法，用Fe催化裂解乙炔，在770℃下合成了多壁碳纳米管，后来分别采用乙烯、聚乙烯、丙烯和甲烷等作为碳源，也都取得了成功。为使碳离子均匀分布，科研人员还用等离子加强或微波催化裂解气相沉积法制备碳纳米管。2．3激光蒸发法激光

7、蒸发法是制备单壁碳纳米管的一种有效方法。用高能CO2激光或Nd/YAG激光蒸发掺有Fe、Co、Ni或其合金的碳靶制备单壁碳纳米管和单壁碳纳米管束，管径可由激光脉冲来控制。Iijima[6]等人发现激光脉冲间隔时间越短，得到的单壁碳纳米管产率越高，而单壁碳纳米管的结构并不受脉冲间隔时间的影响。用CO2激光蒸发法，在室温下可获得单壁碳纳米管，若采用快速成像技术和发射光谱可观察到氩气中蒸发烟流和含碳碎片的形貌，这一诊断技术使跟踪研究单壁碳纳米管的生长过程成为可能。激光蒸发(烧蚀)法的主要缺点是单壁碳纳米管的纯度较低、易缠结。2．4定向生长法定向生长首先

8、是特定制作基底模板之上的生长，模板的制作是决定生成的产物是否定向的关键。模板可通过掩膜技术、电镀技术、化学刻蚀、表面包覆、溶胶一凝胶、微