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发信人: Rage (Rage My Dream), 信区: CET
标  题: 碳纳米管(转寄)
发信站: 荔园晨风BBS站 (Thu May 24 00:54:19 2001), 转信

发信人: swager (新世纪纳米虫), 信区: NanoST
标  题: 碳纳米管(转寄)
发信站: BBS 水木清华站 (Mon Jan  1 11:26:39 2001)

1. 单壁碳纳米管的制备
单壁碳纳米管(Single-walled Carbon Nanotubes,以下简写为SWCNTS)的发现,
为纳
米电子学、纳米化学、纳米材料学的研究开辟了一个富有生命力的全新领域。最近
,排
列整齐、结构均匀、有序可控的多壁碳纳米管的制备获得了重大突破,而碳纳米管
的研
究似显滞后,存在的主要障碍有三个方面:
第一,SWCNTS的制备技术。目前所得到的SWCNTS的结构多分散、制备成本高且产量
和纯
度低。
第二,SWCNTS的化学修饰。一般是在水和有机溶剂中进行化学修饰,但SWCNTS不溶
于水
和有机溶剂,因此对其进行化学修改比较困难,这直接影响了在分子水平对
SWCNTS的研
究。
第三,检测手段和表征方法。尽管科学家用拉曼光谱、电子显微镜、扫描隧道显微
镜(
STM)、原子力显微镜(AFM)等技术对SWCNTS进行了深入研究,但有效、简便的研
究方
法需进一步探讨和开发。
一、单壁碳纳米管的制备
    SWCNTS制备要达到的主要目标是:①连续批量生产;②结构分布均匀且可控;
③成
本低,适宜商业生产;④纯度高、易分散。为达到这一目标,必须优化SWCNTS制备
的几
个关键因素:①碳源;②催化剂及载体;③制备条件。如何优化或发现新的条件,
是制
备高质量、高产量的SWCNTS的关键。下面是科学家近两年所作的探索。
(1)石墨电弧放电法。日本电器株式会社(NEC)的科学家饭岛(Iijima)的研究
小组
用含金属催化剂的碳棒通过电弧放电得到的SWCNTS产率大于70%,他们主要探讨了
温度
及催化剂的种类、组成对SWCNTS的影响,结果发现用镍(0.6%)-镱(0.6%)作
催化
剂在600℃时产率最高(>70%)。我国学者成会明等人最近取得了突破性,他们利
用含
铁、钴、镍及硫化亚铁的碳棒,通过半连续氢电弧放电方法制备出大量(2克/时)
且直
径均匀(约1.8纳米)的SWCNTS,能在室温下储存氢气,引起了国际上的高度重视
。石墨
电弧放电最大的缺陷就是得到SWCNTS纯度不高,含有许多无定型碳和金属颗粒,无
序,
易编结。
(2)化学气相沉积法(CVD)。化学气相沉积法用于制备SWCNTS的研究近两年十分
活跃
,目前,科学家主要想得到活性点密度高、表面积和孔隙体积大的催化剂和载体。
斯坦
福大学科学家戴宏杰(Hongjie Dai)的小组制备平行于基板平面、定向生长的单
根SWC
NT或SWCNTS束,他们制备的关键就是用溶胶-凝胶技术合成了含铁钼的催化剂材料
,能
在硅铝载体上均匀成膜,具有很好的催化活性。其金属与载体空间相互作用力强,
硅铝
复合材料高温下表面积和孔隙体积大,每克催化剂可合成10克SWCNTS。我国科学家
解思
深的研究小组用钴镍合金/沸石作催化剂获得了刚直、缺陷少、石墨程度高的
SWCNTS。科
洛默(Colomer)等人合成了至今直径最小(0.7纳米)的SWCNTS,他们重点探讨了
催化
剂和载体对单壁碳纳米管(束)生长的影响,发现钴、铁比镍的催化活性高,氧化
铝作
载体比硅好。CVD法制备SWCNTS尽管可以获得高产率、纯净可控的SWCNTS,但其应
用及商
业化生产的最大障碍就是成本高,前处理工艺复杂,制备条件苛刻,温度通常高达
900~
1000℃,催化剂及载体的处理耗时费力。
(3)激光蒸发法。饭岛等人最近利用这一方法作了一此探讨,他们发现激光脉冲
间隔时
间越短,得到的SWCNTS产率越高,而SWCNTS的结构并不受脉冲间隔时间影响。科凯
(Ko
kai)等人用CO2激光蒸发,在室温获得了SWCNTS,他们第一次采用快速成像技术和
发射
光谱观察了氩气氛中蒸发烟流和含碳碎片的形貌,这一诊断技术使跟踪研究
SWCNTS的生
长过程成为可能。激光蒸发(烧蚀)法的主要缺陷是SWCNTS的纯度低、易缠结。
(4)太阳能法。以太阳以为能源制备SWCNTS具有重要意义,法国科学家作了许多
有益的
探索,但这种技术还不成熟,SWCNTS的产率低、杂质多、结构不匀。
二、单壁碳纳米管的应用研究
结构分子的完整性,使单壁碳纳米管具有独特的电学、力学性能和化学稳定性,科
学家
对SWCNTS的潜在应用作了广泛研究,如气体储存、量子导线,电子器件和催化剂载
体等

(1)储氢材料。氢气作为一种清洁能源,一直受到世界各国的重视,然而,成本
高昂、
操作困难的储运方法却制约着氢能的开发和利用,所以开发一种优良的储氢材料势
在必
行。我国学者对储氢材料的研究已经走在世界的前列。成会明等人合成的SWCNTS经
适当
处理后可在室温下储存氢气。研究发现,重约500毫克的SWCNTS室温下储存氢的重
量可达
4.2%,并且78.3%的储存氢在常温常压下可释放出来,剩余的氢加热后也可释放
出来,
这种SWCNTS可重复利用,这一成果为储氢材料的研究开辟了广阔的前景。
(2)纳米电子器件。科学家最近用高分辨扫描隧道显微镜观察到SWCNTS的原子结
构,并
发现结构与导电性能密切相关。因此,如何根据实际应用的需要制备出相应结构的
SWCN
TS,是研究者面临的最大挑战。要将SWCNTS的应用付诸实践,还有许多技术性问题
必须
解决,如分散(而不是管束状)SWCNTS的可控制备、结构均匀以及SWCNTS在基板上
生长
点及生长方向的控制等等。卡索莫夫(Kasumov)等人发现了SWCNTS的超导电流,
作者采
用特殊的技术让单壁管(束)生长在两个超导金属垫片的狭缝间,当温度低于1K时
出现
了超导现象,他们还探讨了磁场强度对临界转变(Tc)的影响,这种现象与C60(
Tc<30
K,经碱金属掺杂)相似,因为它们的碳原子都是SP2杂化成键,都有出现超导现象
所必
需的电子-光子对。此外,鉍纳米线及SWCNTS异质结构的研究为其应用开辟了新的
空间

(3)电学、力学性能的综合应用棗碳纳米管肌肉。对机器人、光纤转换器、假肢
、声纳
幻影机等这类器件来说,通过一种材料的反应将电能直接转换成机械能是至关重要
的,
尽管铁电和电致伸缩材料性能良好,但其可容许的量大可操作温度和电压高,而能
量转
换效率低,使其应用受到很大限制,SWCNTS的研究歌词解决这些问题。鲍曼(
Baughman
)等人发现含有SWCNTS片的电机制动器产生的应力比普通肌肉高,应变比高模量的
铁电
体还要大,其制动无需离子掺杂(嵌入),克服了因离子掺杂而降低制动器寿命和
效率
的缺陷,只有几伏的低操作电压便可产生很大的制动应变,大大优于常用铁电体制
动器
。作者通过研究预测,通过优化纳米管片制备的制动器获得的能量转换效率,可望
比已
知任何技术都高,将使人工肌肉梦想变成现实。(朱道本、刘云圻、王贤保)
摘自《2000科学发展报告》
2. 用碳纳米管生产电视屏幕
    美国研究人员利用在毛玻璃上生长整齐的碳纳米管阵列,生产电视机的新式平
面显
示器和计算机监视器。
    碳纳米管(由布基球组成的圆管)是良好的电子发射体,可以作为晶体管的发
射极
。当把碳纳米管排列成平面时,电子可从每个细管的末端发射出来,而不像电视机
中笨
大的阴极射线管那样用单一的电子束扫描整个屏幕。当然,它与现在常用的以液晶
技术
为基础的平面显示器也不相同。纳米碳管有可能使人们从更大的(倾斜)角度观看
到更
明亮的图像。
    但是,碳纳米管只能从管的末端而不是从每边发射电子,因此必须和电视屏幕
垂直
排列。早先,在玻璃上生长整齐排列的碳纳米管只能在足以使玻璃熔化的高温下进
行,
因此无法生产出可以实用的屏幕。
    现在布法罗纽约州立大学的研究人员成功地找到了一种在低温下就能生长出整
齐排
列的碳纳米管的技术,其诀窍是:先在玻璃表面涂一层薄薄的镍,然后把乙炔和氨
气引
进装有玻璃的低压室加热,乙炔分解成碳和氢,而镍和氨则起催化剂的作用,使碳
在玻
璃上形成纳米管。
    利用这种方法可以得到长0.1~50微米,直径20~400纳米的碳纳米管。其中那些
直径
在50纳米以上的碳纳米管排列得很整齐。下一步工作将是研究能高效率发射电子的
最佳
碳纳米管尺寸和密度。
摘自《百科知识》
3. 中国科学家合成碳纳米材料
  北京十二日消息:中国科学家最近合成高质量的碳纳米材料,这种新材料能储
存和凝
聚大量的氢气,并可能做成燃料电池驱动汽车,国际权威刊物认为这是世界范围内
迄今
为止最令人信服的结果。
  氢能是取之不尽、用之不竭的清洁能源,但储存等方面的问题制约着氢能的开
发利
用。已有的稀土等材料由於储氢量少,应用受到限制。各国科学家已在新型储氢材
料研
究上展开一场竞赛。
  一纳米是一米的十亿分之一,作为未来最有前途的「超级纤维」,近年来科学
家发
现碳纳米材料可能是一种优异的储氢材料。国外科学家曾根据实验推测单壁碳纳米
管的
储氢能力在百分之十以上,但是实验一直没有得到验证,结果让人难以信服。中国
科学
院金属研究所三十六岁的研究员成会明率领科研小组近年来在这一领域取得一系列
突破

  纳米级的碳材料合成十分困难,大量低成本、高效率地合成更难。在实验设备
相对
简单的情况下,成会明等人勇於创新,采用与众不同的新方法,快速合成出大量高
质量
的碳纳米纤维和单壁碳纳米管,不仅纯度高,而且直径较粗,预示着较好的储氢性
能。
  在进一步的研究中,成会明等人发现,这些自制的纳米材料在室温下具有优异
的储
氢性能,储氢能力达到百分之四以上,至少是稀土的两倍。根据实验结果推测,室
温常
压下,约三分之二的氢能从这些可被多次利用的纳米材料中释放。这些棉花似的黑
色絮
状物,能储存和凝聚大量的氢气,并可能做成燃料电池驱动汽车。
  中国科学家的成果一经发表,立刻引起世界瞩目。美、德、日等国研究机构纷
纷邀
请成会明前往讲学,国内许多企业也纷纷上门接触。
   新闻资料:纳米科技
  一纳米是一米的十亿分之一。自从扫描隧道显微镜发明后,世界上便诞生了一
门以
零点一至一百纳米这样的尺度为研究对象的新学科,这就是纳米科技。
  作为一门极有前途的新兴科学,纳米科技以空前的分辨率为我们揭示了一个可
见的
原子、分子世界。科学家预言,纳米时代的到来不会很久。
  纳米科技现在已经包括纳米生物学、纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、
纳米
化学等学科。从微米科技到纳米科技,人类正越来越向微观世界深入,人们认识、
改造
微观世界的水平提高到前所未有的高度。中国著名科学家钱学森也曾指出,纳米左
右和
纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点,会是一次技术革命,从而将引起
二十
一世纪又一次产业革命。
  虽然距离应用阶段还有较长的距离,但是由於纳米科技所孕育的极为广阔的应
用前
景,美国、日本、英国等发达国家都对纳米科技给予高度重视,纷纷制定研究计划
,进
行相关研究。
  在纳米材料中,包括碳纳米管、碳纳米纤维在内的碳纳米材料一直是近年来国
际科
学的前沿领域之一。
  仅就碳纳米管而言,自从一九九一年被人类发现以来,就一直被誉为未来的材
料。
碳纳米管韧性极高,兼具金属性和半导体性,强度比钢高一百倍,比重只有钢的六
分之
一。碳纳米管的出现使壁挂电视进一步成为可能,并可能替代硅芯片,引发电脑行
业革
命。
摘自《华声报》
--



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