单-双-多壁碳纳米管

作者:Jia Choi博士和Yong Zhang博士,Aldrich材料科学,Sigma-Aldrich Co. LLC
 

Iijima在利用电弧放电研究石墨电极表面时偶然发现了碳纳米管(CNTs)。1自从其被发现以来,CNT凭借其独特的结构、机械和电子性质而在纳米技术领域发挥着重要作用。 1-3 CNTs具有高导电性和高纵横比,有助于形成导电管网络结构。CNT突出的机械性能来源于其刚度、强度和韧性的结合。4 在聚合物复合结构中,CNT将机械负载转移到聚合物基体上的重量百分比要比碳黑或碳纤维低得多,可以实现更高效的应用。CNT也被用作热界面材料来实现热保护。他们有趣的电子和机械性能可用于多种应用,如场发射显示器5、纳米复合材料6  、纳米传感器7 和逻辑元件。8 CNT在前沿电子制造中的实用性已得到了广泛研究,并且还扩展到多种疾病治疗的药物领域。9

单壁碳纳米管(SWNTs)(Aldrich货号 755710)是一种由一层石墨烯组成的无缝圆柱体结构。它们具有独特的电子性质,随着手性矢量C =(n,m)的不同会发生显着变化,C =(n,m)是表示石墨烯片如何卷成碳纳米管的参数(图1)。10

图1.手性矢量C和单位矢量ab的碳纳米管构型

SWNTs电导率对(n,m)值的依赖性如表1所示。根据卷绕方式,SWNTs的带隙可以在0到2eV之间变化,电导率可以显示为金属或半导体行为。

表1.取决于石墨烯片材辊取向(n,m)的单壁碳纳米管(SWNT)的理论电子电导率。10

(n, m) SWNT的形式 电导率
(n, 0)

    锯齿型

当n是3的倍数时,其为金属,否则为半导体
(n, n)

  扶手椅型

金属
(n, m)
when m ≠ 0, and n

   手性

当(2n + m)/ 3是整数时,其为金属,否则为半导体

碳纳米管的热导率和电导率非常高,并且与表2中所示的其他导电材料相当。11

表2.碳纳米管和其他导电材料的传输特性。11

 

材料 热导率
 [W/(m·K)]
电导率
[S/m]
碳纳米管 > 3,000 106 – 107
碳纳米管 400 6 x 107
碳纤维 - 沥青

1,000

2 – 8.5 x 106

碳纤维 - PAN

8 - 105

6.5 – 14 x 106

 

多壁碳纳米管(MWNT)(Aldrich货号755133 、755117)由多层石墨烯卷绕层组成。与单壁碳纳米管相比,MWNT由于其所具有的结构复杂性和多样性尚未得到很好的界定。尽管如此,相比于SWNT,MWNT也表现出了一系列优势,例如大规模生产的便利性、单位产品成本低,以及更高的热和化学稳定性。一般来说,由于在化学过程中C = C键的断裂而发生的结构缺陷,因此在功能化过程中SWNT的电和机械性能可能会发生变化。然而,我们可以通过对MWNTs进行表面改性来维持碳纳米管的固有性质,其中MWNTs的外壁与化学改性剂相接触。

通过对碳纳米管进行表面改性,可以为碳纳米管引入新的性能,用于特异性非常高的应用,这些应用往往需要有机溶剂或水溶解性,更强的功能性、分散性和相容性,或更低CNT的毒性。12 图2显示了许多化学修饰CNT的表面。通过使用酸、臭氧或等离子体进行氧化,能够生成其他氧官能团(例如-OH,-C=O),获得常用的官能化CNT,例如MWNT-COOH(Aldrich货号755125)。含氧基团的存在促进了CNT束的剥离,并增强了其在极性介质中的溶解性,以及其与含酯化合物如聚酯之间的化学亲和力。纳米管表面上的COOH基团是进一步修饰的有用位点。可以通过生成酰胺和酯键和各种分子进行接枝,包括合成和天然聚合物。13

图2 碳纳米管表面官能化的示意图。 (改编自Zhao等人12

双壁碳纳米管(DWNT)(Aldrich货号755168755141)是单壁和多壁纳米管的合成混合物,其显示出位于两种类型之间的特性。DWNT由正好相距0.35-0.40nm的两个同心纳米管组成,具有足够的带隙用于场效应晶体管。14 DWNT的内壁和外壁每个壁都具有单独的光学和拉曼散射特性。15 理论上,如果每个壁表现得都像SWNT,那么根据其内壁和外壁的(n,m)值,DWNT可以由基于电子类型(金属或半导体)的四种组合构成,例如金属-金属(内-外)、金属-半导体,半导体-金属和半导体-半导体。一些实验研究发现,即使双壁都是半导体,DWNTs也可能表现为金属。16 这种复杂的整体电学行为限制了DWNTs在薄膜电子等应用中的应用。然而,DWNT还表现出几种有利的性能,如寿命的改善,场发射中的密度,以及在腐蚀性化学、机械和热处理下的高稳定性,还有观察到的灵活性。17 外壁的选择性功能化使得DWNT可以呈现为一个由原始碳纳米管组成的核,以及化学功能化纳米管壳制成的核-壳系统,其可用作生物系统中的成像和治疗剂。18 DWNT还可用作气体传感器,19 作为敏感材料用来检测诸如H2,NH3,NO2或O2等一类的气体20 ,用在技术要求苛刻的应用,如场发射显示器和光伏器件中。21 DWNT太阳能电池制造工艺的实例如图3所示。

图3.用于开发DWNT / n型硅太阳能电池的制造工艺示意图21
 

Aldrich® Materials Science可以为您提供高质量的SWNTs、MWNTs和DWNTs,其中一些是当今最具导电性的添加剂,可满足您的创新和先进材料研究需求。按照情况,纳米管通过催化化学气相沉积(CCVD)技术生产,其是一种业界公认的、具有可靠性和可扩展性的工业化工艺,经过纯化或功能化处理可以提高特殊化学特性,如需要高表面面积、透明度或高场致发射特性。

Aldrich 材料科学提供的碳纳米管可用于各种新/现有应用:

  • 导电塑料
  • 结构复合材料
  • 平板显示器
  • 气体储存
  • 防污油漆
  • 微电子和纳电子
  • 雷达吸收涂层
  • 高功能纺织品
  • 超级电容器
  • 原子力显微镜(AFM)探针
  • 具有更长寿命的电池
  • 有害气体生物传感器
  • 超强的导电纤维
  • 靶向药物递送
  • 生物工程应用,如能量储存和转换装置,辐射源和储氢介质

表3中显示了可从Aldrich材料科学获得的碳纳米管的详细说明。我们所提供的详细说明可以帮助您选择适合您应用的材料。

表3. 可从Aldrich 材料科学获得的碳纳米管的规格细节
 

产品编号 图像 说明
755710
  • 单壁离散和成束碳纳米管粉末
  • 2nm(直径,通过HRTEM测量)×数个μm(长度,通过TEM / SEM测量)
  • 碳纯度:> 70%(按TGA测量)
  • 金属氧化物杂质:<30%(按TGA测量)
  • 高比表面积(BET> 1000 m2 / g)
755168
  • 双壁离散和成束碳纳米管粉末
  • 3.5nm(直径,通过HRTEM测量)×1 - 10μm(长度,通过TEM / SEM测量)
  • 碳纯度:> 90%(按TGA测量)
  • 金属氧化物杂质:<10%(通过TGA测量)
  • 比表面积:> 500 m2 / g(以BET计)
  • 高场致发射特性
  • 透明度
755141
  • 短双壁离散和成束碳纳米管粉末
  • 3.5nm(直径,通过HRTEM测量)×3μm(长度,通过TEM / SEM测量)
  • 碳纯度:> 90%(按TGA测量)
  • 金属氧化物杂质:<10%(通过TGA测量)
  • 表面化学特性
  • 易分散性
755133
  • 薄多壁(平均7〜9层)碳纳米管粉末
  • 9.5nm(直径,通过TEM测量)×1.5μm(长度,通过TEM测量)
  • 碳纯度:> 95%(按TGA测量)
  • 金属氧化物杂质:<5%(通过TGA测量)
  • 高纯度

755125

  • 薄壁多层(平均7〜9层)-COOH官能化碳纳米管粉末
  • COOH功能化:> 8%
  • 9.5nm(直径,通过TEM测量)×1.5μm(长度,通过TEM测量)
  • 碳纯度:> 95%(按TGA测量)
  • 金属氧化物杂质:<5%(通过TGA测量)
  • 高纯度
755117
  • 短薄多壁(平均7〜9层)碳纳米管粉末
  • 9.5nm(直径,通过TEM测量)x <1μm(长度,通过TEM测量)
  • 碳纯度:> 95%(按TGA测量)
  • 金属氧化物杂质:<5%(通过TGA测量)
  • 表面化学特性
  • 易分散性

 

 参考文献

  1. S. Iijima, Nature 1991, 354, 56-58.
  2. X. Peng, S. S. Wong, Advanced Materials 2009, 21, 625-642.
  3. C. Prabhakar, K. B. Krishna, Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences 2011, 2, 850-854.
  4. S. Belluci, Physical Status Solidi C 2005, 2, 34-47;
    H.G. Chae, S. Kumar, Journal of Applied Polymer Science 2006, 100, 791-802;
    M. Meo, M. Rossi, Composites Science and Technology 2006, 66, 1597-1605.
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  8. P. Sharma, P. Ahuja, Materials Research Bulletin 2008, 43, 2517-2526.
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  20. L. G. Moura, C. Fantini, A. Righi, C. Zhao, H. Shinohara, M. A. Pimenta, Physical Review B 2011, 83, 245427.
  21. A. C. Dillon, Chemical Reviews 2010, 110, 6856-6872.