什么是碳纳米管？性能优势及应用一览

2022-09-08 11:59:46 作者：2200 2465

1.碳纳米管

碳纳米管(CNTs)是一类工程纳米颗粒(ENP)，该纳米颗粒是由大量碳原子依靠碳的化学键而组成的管状结构。CNTs主要有两种类型，单壁碳纳米管(SWCNTs)和多壁碳纳米管(MWCNTs)。SWCNTs是单层石墨圆柱体，其直径约为几纳米;MWCNTs包含2‒30个同心圆柱体，直径通常在30‒50nm之间。总体上，CNTs的长度变化很大，通常在100nm-10μm之间甚至更长。CNTs的强度是钢的10倍，但重量仅为钢的1/6，因此它具有强化任何材料的能力。另外，它也是比铜更优良的电热导体。它们独特的结构赋予了它们卓越的化学和物理特性，使它们被广泛用于各个领域。

碳纳米管

2.碳纳米管的应用

(1)储氢材料：吸附是气体吸附质在固体吸附剂外表发生的行为，其发生的过程与吸附剂固体外表特征密切相关。对于纳米粒子的吸附机理，目前普遍认为纳米碳管的吸附作用主要是由于纳米粒子碳管的外表羟基作用。纳米碳管外表存在的羟基能够和某些阳离子键合，从而到达表观上对金属离子或有机物产生吸附作用。

(2)质子交换膜(PEM)燃料电池：碳纳米管燃料电池是最具开展潜力的新型汽车动力源，这种燃料电池通过消耗氢产生电力，排出的废气为水蒸气，因此没有污染。它与锂离子电池及锐氢动力电池相比有巨大的优越性，可以用碳纳米管储氢材料储氢后供给氢，也可通过分解气油和其他碳氢化合物或直接从空气中获取氢给燃料电池提供氢源。

(3)超级电容器

碳纳米管用作电双层电容器电极材料。电双层电容器既可用作电容器也可以作为一种能量存储装置。超级电容器可大电流充放电，几乎没有充放电过电压，循环寿命可达上万次，工作温度范围很宽。电双层电容器在声频、视频设备、调谐器、电话机和传真机等通讯设备及各种家用电器中均可得到广泛的应用。作为了电双层电容器的电极材料，要求该材料结晶度高、导电性好、比外表积大、微孔大小集中在一定的范围内。而目前一般用多孔炭作电极材料，不但微孔分布宽(国存储能量有奉献的孔不到30%)，而且结晶度低、导电性差，导致容量小没有适宜的电极材料，这是限制电双层电容器在更广阔范围内使用的一个重要原因。碳纳米管比外表积大、结晶度高、导电性好，微孔大小可通过合成工艺加以控制，因而是一种理想的电双层电容器电极材料。

(4)催化剂载体

碳纳米管材料比外表积大，外表原子比率大(约占总原子数的50%)。使体系的电子结构和晶体结构明显改变表现出特别的电子效应和外表效应，如气体通过碳纳米管的扩散速度为了通过常规催化剂颗粒的上千倍，负载催化剂后可极大提升催化剂的活性。选择性碳纳米管作为纳米材料家族的新成员，其特别的结构和外表特性、优异的储氢水平和金属及半导体导电性，使其在加氢、脱氢和择型催化等反响中具有很大的应用潜力。碳纳米管一旦在催化上获得应用，可望极大提升反响的活性和选择性，产生巨大的经济效益。

3.碳纳米管的性能优势

(1)强柔韧性

碳纳米管强度高却不脆。弯曲碳纳米管或在轴向对其施加压力时，即使外力超过Euler强度极限或弯曲强度，碳纳米管也不会断裂，而是首先发生大角度弯曲，当外力释放后，碳纳米管又恢复原状。

(2)储氢性能良好

碳纳米管本身具有高比表面积，再经过处理后具有优异的储氢能力。

(3)最高的比强度

连接碳纳米管中碳原子的共价键是自然界最稳定的化学键。碳纳米管有极高的抗拉强度和弹性模量，与此同时，碳纳米管的密度却只有钢的1/6，是目前可以制备出的具有最高比强度的材料。

(4)良好的导电性

碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，具有良好的导电性。碳纳米管的电阻和其长度及直径无关，电子通过碳纳米管时不会产生热量加热碳纳米管。电子在碳纳米管中的传输就像光信号在光学纤维电缆中传输一样，能量损失微小，是优良的电池导电剂。

(5)化学稳定性

碳纳米管化学性质稳定，具有耐酸性和耐碱性。在高分子复合材料中添加碳纳米管可以提高材料本身的阻酸抗氧化性能。

(6)优越的嵌锂特性