「綜述」碳納米材料的結構應用多樣性

1. 碳元素納米材料的形成

元素周期表中的碳元素包含各種同素異形體，例如，非晶碳，石墨，金剛石，碳球，碳納米管（CNT）和石墨烯。並且它具有SP，SP2，SP3雜交的各種電子軌道特性。此外，SP2的各向異性導致了晶體性和其他排列的引導。利用在1000℃下的H2催化下合成的三種不同結構的碳材料(碳球、竹狀碳納米管、直碳納米管)，可通過大氣壓力化學氣相沉積(APCVD)來改變其流量。

形成方法：

• 雷射蒸發石墨法:該方法是在使用金屬催化劑的情況下，用脈衝雷射轟擊石墨表面，在石墨表面[2]上製備納米級碳材料。
• 等離子噴塗沉積法:將離子噴塗的鎢電極(陰極)和銅電極(陽極)用水冷卻。當Ar / He載氣攜著苯蒸汽通過等離子炬時，會在陽極上沉積含納米碳灰材料[3]表面。
• 凝聚態電解生成法:採用石墨電極(電解池為陽極)，在600℃左右的溫度下，氬氣作為保護氣，在一定的電壓和電流下電解熔融的滷化物鹼鹽，電解生成各種形態的碳納米材料。
• 石墨電弧法:石墨電弧法是在一定的環境下，利用石墨電極從陰極沉積中放電碳納米材料的方法。
• 化學氣相沉積法:是製備碳材料的一種廣泛使用的方法，可分為催化化學氣相沉積法和非催化化學氣相沉積法。當含碳源的氣體(或蒸汽)流過催化劑表面時，它就會被催化分解。乙烯、乙炔、苯乙烯、苯、甲苯、甲烷等通常用作碳源，它們通常是化學活性化合物，含有不飽和化學鍵;常用過渡金屬、稀有金屬或金屬氧化物作為催化劑;氬氣、氮氣或氫氣通常用作載氣。非催化氣相沉積不需要任何催化劑，直接在保護氣氛下熱分解氣相含碳有機物。

2.納米管

碳是碳氫化合物熱分解的產物。碳的獨特結構使其具有特殊的活性相表面，從而限制了催化劑在催化反應中的活性並降低了反應速率。催化劑的表面可以以不同的形式產生，例如絲狀，石墨或無定形碳。其中，碳絲（碳納米管和納米纖維）是最常見的。

碳納米管是由碳原子形成的石墨烯片製成的無縫空心管。它們通常可分為單壁碳納米管，多壁碳納米管和雙壁碳納米管。

碳納米管（人工非晶態和/或晶體納米礦物的複雜混合物），甚至在某些地質材料中，也已檢測到痕量濃度的富勒烯，例如煤衍生的飛灰碳納米管被廣泛使用，包括電子材料，燃料電池，增強複合材料和醫學領域。碳納米管的生產方法包括電弧放電，雷射蒸發，化學氣相沉積和催化。電弧放電法不適合大規模生產，但是這種方法可以生產高質量的納米管。

圖1 具有空心結構的直碳納米管的TEM圖像

3 .納米球

根據尺寸，碳納米球分為：（1）富勒烯族Cn和洋蔥碳結構（具有2-20nm直徑的封閉石墨層結構），例如C60，C70（2）不完全石墨納米碳球的直徑在50nm至1μm之間。（3）直徑大於11μm的碳微球結構。另外，根據碳球的結構和形態，可分為中空碳球，固體硬碳球，多孔碳球，核殼結構碳球和膠體碳球。

一些典型的碳納米材料，如納米球、碳納米管和BCNTs，可以在低質量的那加蘭邦(印度)煤的熔鹼化浸出(MCL)的潔淨煤產品中檢測到，同時去除相當數量的礦物(灰產量)和硫。煤碳納米球是由層狀碳結構組成。這些碳納米材料在這類煤中並不常見。

利用含矽、氧、鉀等附加元素的碳電極電弧放電製備碳納米管(主要含碳和矽)，在兩個碳電極的近底面製備碳納米管。假設等離子體殼體由弧柱組成，電流集中在弧柱中心。當電子集中在弧柱的中心時，從兩個電極上蒸發的離子會移動到弧柱的外面。矽、氧和碳離子在冷卻時重新結合形成碳納米管，附著在電極的邊緣。

圖2 高延展性碳納米球

4. 納米纖維

分為丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維兩種。碳纖維比鋁輕，比鋼強，它的比重是鐵的1/4，強度是鐵的10倍。除具有極好的強度外，其化學性質還非常穩定，耐腐蝕，高溫和低溫，耐輻射，除臭。

與單壁碳納米管相比，碳納米纖維的經濟實用性遠高於單壁碳納米管，這使得碳納米纖維得以研究並製成高功能的聚合物填充材料，然後進行批量生產和使用。通常，碳納米纖維的直徑通常為60-200 nm，長度通常為100 lm。另外，碳納米纖維的楊氏模量為600GPa，拉伸強度通常在2.5至3.5GPa 之間。碳納米纖維可以與其他聚合物結合形成具有優異性能的納米級複合材料，碳納米纖維材料通常被認為是複合材料的基質材料，並且增強了複合材料的整體導電性和機械性能。但是，範德華力傾向於使納米纖維趨於聚集，因此納米纖維在複合材料中的應用取決於納米材料是否可以均勻地分散在基質中。富勒烯和碳納米管都是具有經濟價值的空心球形碳基納米材料。

圖3 具有10 wt％納米纖維的複合材料的斷裂表面的SEM圖像

文：張子旋。Reference:

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