浅议碳纳米管在分析化学中的应用

2022-09-11

在1985年, C60的发现曾经一度吸引了全球人的目光, 但是在1991年一种更加奇特的碳结构被日本NEC供词的电子显微镜专家饭岛博士发现, 这就是我们今天要研究的碳纳米管。其实早在饭岛博士发现并对其命名之前, 它就已经在一些研究中发现并制造出来, 只是当时还没有人认识到它是一种新的重要形态。所以我们今天对碳纳米管进行深入的研究, 并就其在分析化学中的应用进行了探索。

一、碳纳米管管的分类标准

1. 按照石墨烯片的层数分

碳纳米管可以看做是由石墨烯片层卷曲而成的, 所以我们可以按照这种标准来分类, 可以分成单笔碳纳米管也可以成为单层碳纳米管、和多壁碳纳米管也可称为多层碳纳米管, 其中多层碳纳米管在刚开始形成的时候层与层之间很容易形成陷阱中心, 这样就会造成很多缺陷, 所以多层碳纳米管的管壁上通常会有很多小洞一样的缺陷, 而单层管较多层管就要好很多, 它的直径小、缺陷少, 具有很强的均匀性。

2. 按照结构特征分

碳纳米管按照结构可以分为三类, 即扶手椅形纳米管、锯齿形纳米管、手性纳米管。碳纳米管的螺旋度和电学性能决定着碳纳米管的手性指数 (n, m) , 一般来说当n=m时, 就是我们说的扶手椅形纳米管, 这时候螺旋角度为30度;当n>m=0时, 就是锯齿形纳米管, 这时候的螺旋角度为零;当n大于m, 同时m不等于0的时候, 我们就可以将其称为手性纳米管。

3. 其它分类

碳纳米管的分类标准不仅仅是以上两种情况, 但是最主要的就只有两种, 除此之外还可以按照是否含有管壁缺陷可以分为完善碳纳米管和含缺陷碳纳米管;按照外形的均匀和整体形态可以分为直管型、碳纳米管束、Y型和设型等。

二、碳纳米管的负面影响

1. 对人的负面影响

碳纳米管虽然是新兴的高科技产品, 但是也会产生一定的负面影响, 首先就是对人身体健康产生的影响, 当人的眼睛与碳纳米管进行解除之后会造成人眼睛的不适, 轻者眼睛红肿发痒、重则很有可能会引起发炎失明;当碳纳米管的纳米粒子进入到人的皮肤之后会造成细胞活性的下将, 降低细胞的生存能力, 如果有空气中吸入的话还会刺激肠道、很有可能形成肺癌。

2. 对水生环境的影响

碳纳米管虽然能减少对环境的污染, 但那只是在整体上来说, 在某些方面还是会造成一定的污染, 因为碳纳米管不是纯碳, 它在使用的过程中会产生很多的镍和铬以及其它的一些金属物质, 这些残留的微量元素和金属物质流入水体中会造成某些水生植物的生长缓慢甚至是死亡, 进而对水生换机造成一定的影响.

三、碳纳米管在分析化学中的应用

1. 可以作为气体的传感器

很多的科学家都发现碳纳米管吸附了某些气体之后, 导电性能会发生一些变化, 例如二氧化氮、氨气、氮气、氧气等, 碳纳米管在吸收这些气体之后变化的幅度能达到4个数量级以上, 例如某位科学家发现氧气的存在对碳纳米管的导电性能有着巨大的影响, 当碳纳米管吸收了氧气分子之后, 导电性能会急速增长, 等到脱去氧分子后, 导电性能又会恢复到正常水平。所以我们可以得出结论, 碳纳米管可以当做是气体的传感器, 帮助我们测定气体的含量。

2. 导电、对电极进行修饰

碳纳米管上碳原子的P电子会形成大范围的离域TT键, 所以碳纳米管会有一些特殊的电学性质, 也就有着很强的导电性能, 由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同, 所以电学性能也很强。而且还因为碳纳米管独特的园子结构使其呈现出一些金属或者是半导体结构的特性, 我们可以利用这些特有的性质, 即碳纳米管的表面效应, 更确切的来说就是碳纳米管的直径较小、表面能很高、但是原子配位不足等特殊的性质, 将碳纳米管制作成电极, 这样就提高了表面原子的活性, 很容易与周围的其它的物质进行电子传递, 这在电催化和电分析化学中有着很广泛发展前景。[1]

四、碳纳米管的发展前景

1. 可以当做模具

因为碳纳米管的内部是中空的, 我们可以用它制作模具, 首先我们可以在碳纳米管的内部填充一些金属或者是氧化物等, 这样就能先把碳层腐蚀掉, 然后就可以制作出非常细的纳米尺度导线, 或者是一些全新的材料, 这些成品可以用在分子电学器件上, 不仅如此有些碳纳米管本身就是纳米尺度导线, 这样就可以直接将纳米管应用在芯片上, 可以用来制作更加复杂的电路。[2]

2. 制作复合材料

因为碳纳米管本身的特殊性, 我们可以制作出很多性质优良的复合型材料, 例如将碳纳米管应用在特定的塑料制作中可以增强塑料的优良性、不仅可以用来导电而且耐腐蚀性高, 有一些还可以用来屏蔽无限电波;使用水泥做集体的碳纳米管符合材料不仅有着很强的抗冲击性和稳定性还能防静电、耐磨损, 最主要的还是能够减少环境污染;碳纳米管用在陶瓷上, 制成的复合材料中, 增加了材料的轻度强度, 提高了耐高温的能力, 减小了膨胀系数, 增强了抵抗热变的性能。

结束语:

纳米技术是科学发展领域的一大突破, 而碳纳米管只是该突破当中的一个重要的环节之一, 随着对碳纳米管研究的深入, 我们有理由相信碳纳米管在分析化学中领域中的应用会越来越广泛。另外碳纳米管对电极修饰作用的研究还应该进一步加深, 提高电极修饰的性能, 不仅如此, 碳纳米管在其它的领域还有很大的发展空间, 不过这仍然需要科学家的进一步探索。[3]

摘要：碳纳米管又被称作巴基管, 是材料领域的一个重要发现, 主要由呈六边形排列的碳原子组成的数层到数十层的同轴圆管构成。它具有许多特殊力学、电学和化学性质, 本文就对碳纳米管在分析化学中的应用现状进行了综述, 并对未来的发展趋势做了深入探讨。

关键词：碳纳米管,分析化学,应用