碳纳米管的制备研究

秦秀兰，黄 英，张 杨，高明明，李 倩

（1.西北工业大学，理学院，陕西西安 710072；2.西北大学现代学院，陕西西安 710130）

碳纳米管的制备研究

秦秀兰1，黄 英1，张 杨2，高明明2，李 倩2

（1.西北工业大学，理学院，陕西西安 710072；2.西北大学现代学院，陕西西安 710130）

介绍了碳纳米管的研究背景、结构特征及其应用领域。重点讨论了碳纳米管的制备方法，即化学气相沉积法、直流电弧法、激光蒸发法等制备方法。

碳纳米管；制备；结构特征；应用

碳纳米管是由碳元素组成，是碳原子通过sp2杂化，形成的六角环网状的空间拓扑结构。碳纳米管的直径在纳米量级，而长度可达微米级至毫米级，长径比大，是准一维的量子线。碳纳米管具有密度小、比表面积大、热化学稳定性好、力学性能优异、良好的电磁性能和场发射性能，已成为最具有应用前景的低维纳米结构材料之一，在众多领域受到了广泛的关注和研究。碳纳米管不仅可以承受巨大的轴向张力，而且还可以承受巨大的径向形变，抗拉强度达到50～200GPa，是钢的100倍，弹性模量可达1～1.8 TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍，密度却只有钢的1/6。碳纳米管在平行于轴线方向的热传导性与金刚石相仿，而垂直方向又非常低。多壁碳纳米管层与层之间的振动耦合很弱，每一层的热导率和比热容可以单独考虑，并具有理想的二维声子结构。碳纳米管的电磁性能也取决于其直径和手性，不同条件下，碳纳米管可表现出金属、半导体或超导体性质[1]。

由于碳纳米管具有这些独特的性质，使其可以用作储氢材料、新型碳纤维材料及增强材料、超级电容器的电极材料、锂离子电池的电极材料、场致发射材料等。本文重点讨论碳纳米管的制备方法。

1 碳纳米管的制备

1.1 化学气相沉积法

化学气相沉积法是以碳氢化合物为碳源，在500～1200℃热解成碳簇，这些碳簇在催化剂的作用下生长成碳纳米管。这种方法既可制备单壁碳纳米管，又可制备多壁碳纳米管，独特之处是能合成有一定直径和长度的碳纳米管阵列。此种方法产量大，成本低，反应后的杂质残余物为气体，可以离开反应体系，得到的碳纳米管纯度高（几乎没有纳米微粒和无定形碳），尺寸分布较均匀，产物的形貌和尺度控制，即通过调节原料组成和催化剂粒径，控制最终产物的形貌和尺度，适合于工业上低成本大批量生长。化学气相沉积法也可结合等离子体增强技术，在不同的基体上合成排列整齐的线形碳纳米管，所用的等离子体既可以由直流电源激发，也可由微波激发。该方法的缺点是：碳纳米管存在结构缺陷，易弯曲和变形，石墨化程度不高。因此，需采取一定的后处理（如高温退火），以消除缺陷，使管变直，石墨化增强[2]。

1.2 直流电弧法

电弧法是最早用于制备碳纳米管的工艺方法，制备装置中包括一对间距为l mm的石墨电极，整个系统保持在气压约104Pa的氦气气氛中，放电时，两电极间电弧放电可以形成3000℃以上的高温，电极间产生的等离子体使阳极中的碳升华，形成的等离子体在石墨阴极上沉积出含有碳纳米管的产物CNTs，在电极中掺杂过渡金属催化剂等后可生成SWNT或DWNT。在电弧放电中，调节气压、电流密度、电压、电极等关键参数，制备单壁和多壁碳纳米管[3]。

该方法的优点是制备碳纳米管技术上比较简单，容易产生制备碳纳米管所需的高温，所得碳纳米管结构规整、石墨化程度较高。该法的缺点是设备较复杂、能耗高、副产物较多，生成的碳纳米管与C60等产物混杂在一起，不利于后续的纯化分离[4]。

1.3 激光蒸发法

激光蒸发法的基本原理是高温下（高于1200℃）用高能量密度的激光照射置于真空腔体内（约80kPa）的靶体表面，将碳原子或原子团簇激发出靶的表面。在载体气体中这些原子或原子团簇相互碰撞而生成碳纳米管。该方法载体气体一般为氢气或氮气[5]。

[1] Bhattacharjee Y，Bhingardive V，Biswas S，et al. Construction of a carbon fi ber based layer-by-layer（LbL）assembly – a smart approach towards effective EMI shielding[J]. Rsc Advances，2016，6.

[2] Koltai J，Mezei G，Zólyomi V，et al. Controlled isotope arrangement in 13C enriched carbon nanotubes[J]. 2016.

[3] Li J H，Li P，Xu J T，et al. Straightening Single-Walled Carbon Nanotubes by Adsorbed Rigid Poly（3-hexylthiophene）Chains via π-π Interaction[J]. 2016.

[4] 邹春林，詹红兵，陈建春，等.碳纳米管的制备研究[J].山东陶瓷，2003，26（6）：22-24.

[5] 吕瑞涛，黄正宏，康飞宇.金属填充碳纳米管的制备研究进展[J].材料科学与工程学报，2006，24（5）：772-777.

Study on Preparation of Carbon Nanotubes

Qin Xiu-lan，Huang Ying，Zhang Yang，Gao Ming-ming，Li Qian

in this paper，the research background，structural characteristics and application fields of carbon nanotubes are introduced.The preparation methods of carbon nanotubes，such as chemical vapor deposition（chemical vapour，CVD），direct current arc（ARC），laser evaporation（laser ablation）and so on，are discussed in detail，and the preparation methods of discharge are discussed.

carbon nanotubes；preparation；structural characteristics；application

TB383.1

A

1003–6490（2017）03–0079–01

2017–02–10

陕西省教育厅科研计划项目资助（14JK2145）。

秦秀兰（1976—），女，山西忻州人，讲师，主要研究方向为能源与功能材料。