碳纳米管的应用与有关研究

碳纳米管的应用与有关研究

碳纳米管作为一种具有独特结构和优异性能的纳米材料，近年来在多个领域展现出巨大的应用潜力。本文将从碳纳米管的力学性能、导电特性出发，探讨其在复合材料、超级电容器等领域的应用，并介绍其主要的合成方法和相关研究进展。

概述

碳纳米管具有超强的力学性能，极高的纵横比和独特的导电特性，是制备复合材料的理想形式。评述目前碳纳米管复合材料的制备及其研究发现，用化学镀方法制备的镍基碳纳米管复合镀层比传统的复合镀层具有更高的耐磨性能，结构为非晶态。用原位聚合法合成了导电聚苯胺 -碳纳米管的复合材料，可以作为电池和电化学超级电容器的电极材料。由此可见，碳纳米管是一种具有巨大发展前景的化合物。

应用

超级电容器是近年来发展起来的一种新型储能装置。碳纳米管由于具有独特的中空结构，良好的导电性和高的比表面积，被认为是超级电容器理想的电极材料之一。单纯的碳纳米管具有比表面积小，比容量偏低的特点，化学活化可以显著提高碳纳米管的比表面积，增大其比电容。将碳纳米管与准电容材料金属氧化物或导电聚合物复合，可以发挥各自的优势，从而得到低成本、高性能的复合电极材料。此外，碳纳米管在扫描显微镜探针针尖，气体传感器，化学修饰电极和化学分离与检测等方面也具有广泛应用。

合成

从1991年首次发现碳纳米管以来，世界上掀起了研究碳纳米管的热潮。目前，碳纳米管的合成主要采用石墨/电弧法和催化裂解法(CVD)。石墨电弧法合成的碳纳米管质量较好，而CVD合成的碳纳米管大多易弯曲和变形，并且石墨化程度也相对较低。此外，用激光蒸发石墨棒法、热解聚合物法、火焰法以及离子(电子束)辐射法等也可以合成碳纳米管，但是由于产量低而未被广泛采用。实验研究了浮浮催化法半连续制取碳纳米管的过程，根据透射电子显微镜等检测方法的结果，结合碳纳米管浮游催化的生长过程得出正己烷为碳源情况下的最佳工艺参数，浮游催化法制的碳纳米管直径在30nm-60nm之间。

有关研究

实验制备碳纳米管修饰玻碳电极(CNT/GC)，利用吸附的方法将葡萄糖氧化酶(GOx)固定到CNT/GC电极表面，形成GOx-CNT/GC电极。进一步地，研究GOx的直接电子转移，实验结果表明，GOx在CNT/GC电极表面没有发生变性，能进行有效和稳定的直接电子转移反应，其循环伏安图上表现出一对很好的、几乎对称的氧化还原峰。式量电位几乎不随扫速(至少在10140 mV·s(-1)的扫速范围内)而变化，其平均值为-0.456±0.0008 V(vs.SCE)。GOx在CNT/GC电极表面直接电子转移的速率常数为1.74±0.42 s~(-1)，比文献中报道的值大了数十倍。进一步的实验结果显示，固定在CNT/GC电极表面的GOx能保持其对葡萄糖氧化的生物电催化活性，而且电催化活性很稳定。相关的制备碳纳米管修饰电极和固定酶的方法具有简单和易于操作等优点，可用于获得其他生物氧化还原蛋白质和酶的直接电子转移。