碳纳米管有什么用?碳纳米管的应用领域有哪些?

发布时间:2018-11-08 22:30:41 编辑作者:化源网整理

碳纳米管图片

图片:碳纳米管结构式

碳纳米管,又名巴基管,于1991年由日本科学家发现,是一种径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级,管子两端基本上都封口的一维量子材料。与其他纳米材料相比,具有更为独特的结构和奇异的性能,被称为“纳米材料之王”。

碳纳米管是除石墨、金刚石、无定形碳和富勒烯之外元素碳的又一变体。在此,碳原子呈六角形排列。该结构相当于卷起的单原子或多原子石墨层,以至于形成具有通常几纳米的直径和最多几毫米长度的空心圆柱体。原则上区分为多壁碳纳米管和单壁碳纳米管,在文献中通常也缩写成MWNTs和SWNTs(源自英语:multiwallednanotubes和singlewallednanotubes)。由于范德华力,碳纳米管显示出强烈的聚集成束的倾向,所以在挤出过程中必需通过高剪切力来解开/分散,而不会使其严重缩短。

碳纳米管具有独特的的物理化学性能,使它有如下的作用:

1.导电

碳纳米管具有一维中空管状结构,管壁由单层或多层石墨烯片围成,管径为纳米级,管长为微米级,长径比巨大,其性质会因石墨烯片的卷曲方式不同而发生变化,体现金属性或半导体性质。就导电性而言,碳纳米管可以是金属性的,也可以是半导体性的,甚至在同一根碳米管的不同部位,由于结构不同,也会表现出不同的导电性,而且碳纳米管的导电性与其直径和手性有密切关系,碳纳米管被认为是--维量7-导体,有研究表明碳纳米管的电流运载能力是铜导线的一千倍。

2.超强抗拉

碳纳米管具有优越的机械性能:抗拉强度50-200GPa,相当于钢的100倍,但比重只有钢的1/6,因而被称“超级纤维”;硬度与钻石相当,但柔韧性更强,可拉伸,其最大拉伸率高于任何金属;它还有很好的柔性、回弹性和抗畸变的能力。被人们认为是有最大强度重量比的纤维和强化相的终极形式

3.导热

碳纳米管具有良好的导热性,轴向热导率为2000-3000W/mK,约为铜的10倍,钻石的3倍。

4.吸附

碳纳米管具有超大的比表面积,吸附性能强; 同时具有良好的电磁波吸收等性能。

利用上述性质,碳纳米管可广泛用于用于锂电池用导电浆料、太阳能电池涂层、高强度结构材料、导电涂料、催化剂载体、场发射材料、电磁屏蔽材料等领域。诺贝尔奖得主R.E.Smalley称:“纳米碳管将是价格便宜,环境友好并为人类创造奇迹的新材料。”。碳纳米管主要有如下的应用领域:

一、电子领域应用

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。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。

应用于纳米电子器件。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。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。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。

二、复合材料领域

纳米管的强度比钢高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,可以作为高强度碳纤维材料。

另外,碳纳米管应用于催化纤维和膜工业。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。

三、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。

储氢材料是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。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。

超级纳米碳素电池是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。

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。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。

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,独特的的物理化学性能(导电,强抗拉,导热和吸附),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和研究,并且在这一领域己经取得了若干重要的进展。随着“工业4.0”及“2025方案”的实施,碳纳米管将会在越来越多的领域中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:
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(5)西北大学化学系化学班 李溟 2005110056。

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