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碳纳米管的物性与应用三
文件名称: 碳纳米管的物性与应用三
文件大小: 65K
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上传时间: 2013-01-29 22:59:37
更新时间: 2013-01-29 22:59:37
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文件简介
碳纳米管的巨大的比表面积和具有的孔隙结构可吸附大量的氢气, 因此碳纳米管作为储氢材料已作为了研究的焦点。
详细介绍

2) 储氢材料

碳纳米管的巨大的比表面积和具有的孔隙结构可吸附大量的氢气, 因此碳纳米管作为储氢材料已作为了研究的焦点。 顾冲等 [ 16 ] 经过单壁碳纳米管吸附氢气的计算机模拟论证了碳纳米管储氢的可能性。 近年来又有人提出将碳纳米管用作燃料电池储氢材料 [ 17 ] 沈阳金属研究所曾报道 [ 18 ] 单壁碳纳米管能在室温中等压力下贮藏4. 2 %(质量分数) 的氢气, 在常温常压下能释放出80 %;要释放出其余的H2需要加热。朱宏伟等 [ 19 ] 指出使用浓硝酸和NaOH 溶液处理碳纳米管表面可提高储氢率。 目前研究的焦点主要是高储氢性能的最优化结构和最佳的工艺条件。

碳纳米管经过处理后具有优异的储氢性能,理论上单壁碳纳米管的储氢能力在10 %以上,目前中国科学家制备的碳纳米管储氢材料的储氢能力达到4 %以上,至少是稀土的两倍。根据实验结果推测,室温常压下,2/ 3 的氢能从这些可被多次利用的纳米材料中释放。储存和凝聚大量的氢气可做成燃料电池驱动汽车。

Dillon A. C. [ 20 ] 的实验表明用SWNT 作储氢材料具有非常高的氢吸收量每kg纳米碳管可吸收1515kg 氢气。清华大学碳纳米材料研究小组近日发现一种经处理后表现出显著储氢性能的碳纳米管,它有望成为新的清洁能源--氢能电池的制造材料。

研究小组的科技人员对定向碳纳米管的电化学储氢特性进行了系统研究,发现这种碳纳米管具有许多全新的力学、电学、热学和光学性能,尤其是将它混以铜粉后表现出的显著的储氢性能。课题小组将碳纳米管制成电极,进行恒流充放电电化学实验,结果表明, 混铜粉定向多壁碳纳米管电极的储氢量是石墨电极的10, 是非定向多壁碳纳米管电极的13, 比电容量高达1625mAh/g, 对应储氢量为5.7wt(质量分数),具有优异的电化学储氢性能。根据美国能源部(DOE)对车用储氢技术制订的标准,该研究小组这次发表的实验结果,已经接近其对储氢材料的重量和储氢密度的要求。

该项技术可以应用在燃料电池的制造中,起到持续稳定的氢源的作用。燃料电池是一种不经过燃烧而以电学反应连续把燃料中的化学能直接转换为电能的发电装置。其中,质子交换膜燃料电池(PEMFC)以纯氢为燃料,具有工作温度低、输出功率大、体积小、重量轻、“零排放”的优点,特别适合交通运输工具使用。

3) 超级电容器

碳纳米管用作电双层电容器电极材料。电双层电容器即可用作电容器也可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可得到广泛应用。

作为电双层电容电极材料,要求材料结晶度高、导电性好、比表面积大,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 (对存储能量有贡献的孔不到30%),而且结晶度低、导电性差、导致容量小。没有合适的材料是限制电双层电容在更广阔范围内使用的一个重要原因。

碳纳米管比表面积大、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。由于碳纳米管具有开放的多孔结构,并能在与电解质的交界面形成双电层,从而聚集大量电荷,功率密度可达8000W/kg。其在不同频率下测得的电容容量分别为102F/g(1Hz)49F/g(100Hz)。碳纳米管超级电容器是已知的最大容量的电容器,存在着巨大的商业价值。

4) 锂离子电池

碳纳米管可用于锂离子电池负极材料。碳纳米管的层间距为0. 34nm ,略大于石墨的层间

0. 335nm ,这有利于Li + 的嵌入与迁出,它特殊的圆筒状构型不仅可使Li + 从外壁和内壁两方面嵌入,又可防止因溶剂化Li + 嵌入引起的石墨层剥离而造成负极材料的损坏。碳纳米管掺杂石墨时可提高石墨负极的导电性,消除极化。实验表明,用碳纳米管作为添加剂或单独用作锂离子电池的负极材料均可显著提高负极材料的嵌Li + 容量和稳定性。

碳纳米管比表面积大,结晶度高,导电性好,微孔大小可通过合成工艺加以控制,因而有可能成为一种理想的电极材料。在锂离子电池中加入碳纳米管,也可有效提高电池的储氢能力,从而大大提高锂离子电池的性能。根据实验,多壁碳纳米管锂电池放电能力达到385mAh/ g ,单壁管则高达640mAh/ g ,而石墨的理论放电极限为372mAh/ g

浙江大学物理系Wang C. S. [ 21 ] 等人用纳米碳管作为锂离子电池的负极活性物质其电池容量超过石墨嵌锂化合物理论容量一倍以上。另外还可作在污水处理时的高效吸附净化剂、分离不同离子的吸附剂等。由于纳米碳管特别是SWNT 具有极小的直径, 可用作气体凝固吸附材料。

5) 场发射管(平板显示器)

在硅片上镀上催化剂,在特定条件下使碳纳米管在硅片上垂直生长,形成阵列式结构,用于制造超高清晰度平板显示器,清晰度可达数万线。同时也可使碳纳米管在镍、玻璃、钛、铬、石墨、钨等材料上形成阵列式结构,制造各种用途的场发射管。

6) 传感器

用碳纳米管去修饰电极,可以提高对H+等的选择性,从而制成电化学传感器。利用碳纳米管对气体吸附的选择性和碳纳米管的导电性,可以做成气体传感器。不同温度下吸附微量氧气可以改变碳纳米管的导电性,甚至在金属和半导体之间转换。在碳纳米管内局部填充碱金属可以形成pn 结。在碳纳米管内填充光敏、湿敏、压敏等材料,可以制成纳米级的各种功能传感器。纳米管传感器将会是一个很大的产业。

7)信息存储

由于碳纳米管作为信息写入及读出探头,其信息写入及读出点可达1. 3nm(当存储信号的斑点为10nm ,其存储密度为1012bits/ cm2 ,称其为超高密度,比目前市场上的商品高4 个量级) ,从而实现信息的超高密度存储,该技术将会给信息存储技术带来革命性变革。

此外,碳纳米管还可用于制造催化剂和吸附剂、纳米装置(纳米机器人) 、原子探针、超大规模集成电路散热衬托材料、计算机芯片导热板、一维导线、纳米同轴电缆、分子晶体管、电子开关、美容材料、防弹背心、抗震建筑等。

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