准一维纳米碳材料类别与典型应用

　　当前，低维纳米材料以其独特的结构和性质受到了世界科技、经济和社会各界的高度关注，是材料前沿研究的热点领域之一。

　　从空间而言，低维纳米材料可以按零维（颗粒状）、一维（线状）、二维（层状） 进行分类。准一维纳米材料通常是指仅沿某一个维度生长、而在其他维度限制生长的纳米材料。由于这类纳米材料的结构高度各向异性，其性质往往也呈现各向异性，再加上可以通过多种方法使其功能化，在未来的纳米材料、纳米器件、纳米机械等研究领域具有多样而奇特的应用前景。准一维纳米材料包括如下类别：纳米线 （nanow iren），纳米管（nanotube），纳米带 （nanoribbon） 和纳米导线 （nanoline） 等。本文仅对准一维纳米碳材料及其制备方法进行概述，并对其典型应用领域进行介绍。

　　1 准一维纳米碳材料及其制备

　　1.1 碳纳米管

　　碳纳米管 （CarbonNanotubes,简写 CNTS） 较早被发现。因CN TS 具有尺寸较小、比表面大、界面效应强等特点而备受研究者的青睐。CN TS 的制备方法包括：激光蒸发法、电弧放电法、化学汽相沉积（CVD） 法等。

　　Bandow 等[1]人激光蒸发法对实验设备进行了改进，首次成功制得高质量的单壁CNTS.该方法的基本原理是激光束的热量加热石墨靶，使之生成气态碳。这些气态碳原子和催化剂粒子，在催化剂作用下使碳原子生长成CN TS.

　　1.2 碳纳米棒

　　碳纳米棒是不同于纳米管的另一种纳米材料，主要差异就是其内部为实芯。其制备方法包括：电弧放电法、激光蒸发法和 CVD 法等。

　　Song等[2]采用C2H2为碳源，采用Si为衬底的Fe 基催化剂，实验温度为973℃，用CVD 法制备出碳纳米棒。

　　1.3 碳纳米带

　　顾名思义，纳米带是带状结构的。它们的横截面均是矩型，一般宽厚比要大于10.纳米带具有显着的特点，这就是它们有完整的习性晶面。纳米带的晶体结构呈各向异性，不同晶面有不同的表面能，物理性质差异显着。

　　这一特点在晶体生长及其控制中有重要价值，人们通过控制晶体某些特定晶面的生长，就可以实现晶体的功能设计和制备。纳米带的缺点是没有纳米管那样的高结构强度。但纳米带的生产过程简单可控，有利于保证批量产品的质量。

　　碳纳米带的制备方法有电弧放电法、CVD 法等。M ahanandia等[3]以四氢呋喃为碳源，使用二茂铁为催化剂，不用惰性气体载气，采用CVD 法在石英管内壁上沉积，制得碳纳米带。

　　1.4 碳纳米纤维

　　碳纳米纤维是由多层石墨片层卷曲而成的，长度为0.5~100μm,直径为 10~500nm,是介于CNTS 和普通碳纤维之间的准一维碳材料。碳纳米纤维有大的比表面积，优异物理、化学性质和化学稳定性，和较好的导电性能。

　　其制备方法有电弧放电法和静电纺丝法等。Pacheco-sotel等[4]采用电弧放电法制得碳纳米纤维，平均直径为80nm、表面干净。

　　1.5 碳纳米卷

　　碳纳米卷是由单层或多层石墨烯薄片卷绕而形成的，结构非封闭，壁间距可调。碳纳米卷的常用制备方法有电弧放电法、超声剥离法、异丙醇卷起单层石墨片层发。

　　1960 年，在压强为9.2M pa 的氩气中、温度为3600℃的实验条件下，Braga[5]用电弧放电法，成功获得长度约 5cm、平均直径约为5m m 的石墨晶丝。目前，批量生产碳纳米卷的工业方法尚未见报道。

　　可以说，实验制备高质量的碳纳米卷难度很大、成本较高，研究者更愿意用一些材料设计软件先进行虚拟研究设计研究，再实验制备。

　　2 准一维纳米碳材料的典型应用

　　2.1 储氢材料

　　氢气是一种极为理想的代替石油、煤等不可再生资源的能源，它的优点是含量大便于制取、清洁无污染。目前，阻碍氢气能源应用的主要是储存问题。CN TS 则为氢能储存提供了新方法。Zacharia 等[6]在CNTS 中掺入金属粒子，研究纯CN TS 和掺杂CN TS 对氢分子的吸附行为。研究结果揭示，在CN TS 中掺杂纳米金属粒子不仅能够提升其吸氢速率，而且可以大大提高其储氢容量。

　　2.2 场发射器件

　　CNTS 具有很高的电子态密度，且其直径仅有几个纳米，因而其附近易于建立强电场，从而将电子从纳米管顶部发射出去。大量实验研究结果证实，CN TS 具有优异的场致电子发射能力。Cui等[7]采用CVD 法制得CNTS.他们研究发现，随着温度的增加CN TS 的场发射性质显着改善。CN TS 阵列制备研究的进展是重要突破，这使得人们能把数以万计的CNTS 有序排列在基片上。显然，这有力地促进CN TS 阵列在场发射领域的应用开发。

　　2.3 化学传感器

　　利用CN TS 导电性能与吸附气体的关系，人们研制了基于CN TS 的化学气体传感器，它们可以检测多种气体。例如，M erkoci等[8]基于CN TS 制成具有极高的灵敏度的电化学传感器。其原理是CN TS 可以提升电子迁移速率，而金属铂具有催化性能，他们用CN TS 对铂碳电极表面进行修饰，从而使传感器兼有这两个特性，提升了传感器的灵敏度。

　　2.4 水处理材料

　　CNTS 具有微孔结构、较大的比表面积和多种吸附中心。因而成为人们期望的优质微污染吸附剂、正在探索将它们应用于水处理等环境治理和生态保护领域。

　　2.5 其它应用

　　CNTS 上有一些悬浮键，与高分子材料复合时，结合界面有化学键形成、结合牢固，进而得到性能优异的复合材料。如该类复合材料的弹性、强度、抗静电性、吸收微波性等不一而足。

　　CNTS 复合材料的优异性能可使其广泛应用于电磁干扰屏蔽材料、合成纤维、隐身材料、导电或抗静电塑料等诸多行业。碳纳米带还可应用于平板显示，由于它的高的电导率和高的光学透明性，使其在平板显示、太阳能、光电子领域都有潜在的应用价值。

　　3 结语

　　准一维纳米碳材料具有极高的科研和潜在的应用价值。目前，在其制备和应用研究方面取得了一定的成就，尤其是在CNTS 和碳纳米纤维。虽然对CN TS 和碳纳米纤维的生成机理研究的比较成熟，但对于其它准一维纳米碳材料确切的生长机理还没有完全掌握，其制备大多处于实验研究阶段。在应用研究方面，对准一维纳米碳材料结构和性能之间的关系的研究还不够系统深入，还需要进行大量的性质以及应用基础研究。

　　[参考文献]

　　[1] Bandow S, Asaka S, Saito Y et al.生长温度对于单壁碳纳米管的直径分布和手性的影响[J].物理学评论通讯，1998.
　　[2] 刘强，刘伟，崔志民，宋卫国。双支 K 接点碳纳米管和纳米棒的 3D 合成与表征[J].Carbon, 2007.
　　[3] Mahanandia P, Nanda KK, Prasad V et al.碳纳米带和单晶铁填充碳纳米管的合成与表征[J].材料研究公告，2008.