碳納米管復(fù)合材料的應(yīng)用及發(fā)展方向

王云霞

摘要：綜述了碳納米管復(fù)合材料在傳感器、電化學(xué)、光催化、微波吸收和增強材料等領(lǐng)域的應(yīng)用?？偨Y(jié)了目前研究的不足，指出了碳納米管復(fù)合材料的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：碳納米管;碳納米管復(fù)合材料;協(xié)同;增強體

能源、材料和信息是三個最有前途的發(fā)展和潛在應(yīng)用領(lǐng)域。材料科學(xué)受到廣泛關(guān)注，是新技術(shù)革命的重要支柱。相對簡單和傳統(tǒng)的材料已經(jīng)不能滿足人們生活的實際需要，于是人們對材料的性能提出了更高的要求。人們將兩種或兩種以上具有不同物理化學(xué)性質(zhì)的材料按一定比例組合成多相體系的固相材料，這種固相材料就是一種復(fù)合材料。對于納米材料來說，三維空間中至少有一維在納米尺度范圍內(nèi)，或者作為基體單元的材料與宏觀材料具有不同的性質(zhì)。碳納米管作為其中的一種納米材料，其獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)越的性能引起了人們的廣泛關(guān)注，并迅速成為納米復(fù)合材料的研究熱點。目前，碳納米管復(fù)合材料的研究在理論和實驗上都取得了較好的進展。

一、碳納米管復(fù)合材料的應(yīng)用

（一）傳感器領(lǐng)城的應(yīng)用

近年來，許多研究者致力于復(fù)合材料檢測傳感器的研究，但由于測量范圍小，數(shù)據(jù)分析復(fù)雜，大多數(shù)傳感器尚未得到廣泛的應(yīng)用。碳納米管的出現(xiàn)解決了這些問題。碳納米管具有良好的導(dǎo)電性和高的載流能力，可以形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)來檢測復(fù)合材料。結(jié)果表明，碳納米管吸附氣體，在碳納米管與被吸附氣體之間產(chǎn)生電子交換，表現(xiàn)出不同的電學(xué)性質(zhì)，因此，研究人員使用不同的碳納米管復(fù)合材料來制作不同的傳感器。李利花等人以載于多壁碳納米管和Nafion上的RuO2納米顆粒為固定劑，通過水熱法制備了一種新型的無酶葡萄糖傳感器，將復(fù)合材料用于玻碳電極表面修飾。該復(fù)合修飾電極對葡萄糖反應(yīng)電流明顯，靈敏度高，反應(yīng)時間短，穩(wěn)定性好。它可以方便地檢測糖尿病患者的血糖含量。錢開友等人采用硅陽極變形膜和碳納米管陰極研制出了碳納米管場發(fā)射壓力傳感器。其中碳納米管陰極由低阻硅基底上生長的碳納米管陣列組成，利用濕法刻蝕來控制陽極窗口大小及厚度。結(jié)果表明，當陽極變形膜受壓變形時，陰陽極之間的距離會發(fā)生變化，最終導(dǎo)致發(fā)射電流也隨之改變。萬莉結(jié)合了三維編織復(fù)合材料的生產(chǎn)過程，利用碳納米管傳感器來檢測三維編織復(fù)合材料的缺陷，并成功地發(fā)現(xiàn)了三維編織復(fù)合材料的內(nèi)部缺陷的位置和大小。孫建東等首先采用自組裝法制備了碳納米管修飾的叉指電極。再對甲苯磺酸原位摻雜聚苯胺，使得在修飾電極表面生長聚苯胺，并用葡萄糖氧化酶固定。研究表明，復(fù)合生物傳感器的響應(yīng)靈敏度具有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

（二）電化學(xué)方面的應(yīng)用

大量研究表明，碳納米管具有超高的導(dǎo)電性和顯著的靈敏度。碳納米管可以顯著提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性，并賦予其一定的智能性能。為了獲得優(yōu)良的電極材料，一些研究小組利用化學(xué)修飾電極設(shè)計了許多碳納米管摻雜復(fù)合材料。不同的改性方法對電極材料的改變不同，其應(yīng)用價值很大。有學(xué)者制備了MWCNTs-Nafion膜修飾鉑電極。結(jié)果表明，修飾鉑電極對鐵氰化鉀有明顯的電化學(xué)增強作用。由于多壁碳納米管比表面積大，采用特定膜修飾電極可以提高電子傳遞效率，增加測定的峰值電流，從而提高靈敏度有助于檢測低濃度物質(zhì)。以二氧化鈦納米顆粒為前體，采用堿性水熱法制備了鈦酸鹽納米管和碳納米管復(fù)合納米材料。結(jié)果表明，鈦酸鹽納米管完全轉(zhuǎn)化為鈦酸鹽納米管與碳納米管結(jié)合良好，引入納米管可以提高鈦酸鹽納米材料的電導(dǎo)率和電化學(xué)性能。

（三）光催化領(lǐng)域的應(yīng)用

近年來，由于大氣中二氧化碳濃度的增加和溫室效應(yīng)的增加，如何將二氧化碳轉(zhuǎn)化為大氣中可利用的資源成為研究熱點。通過光催化轉(zhuǎn)化為烴類燃料是資源綜合利用的一種有效形式。碳納米管復(fù)合材料由于其優(yōu)異的導(dǎo)電性和對金屬氧化物的催化活性，已被證明是提高光催化活性最有效的材料之一。在光催化材料研究的基礎(chǔ)上，許多研究小組開發(fā)了許多碳納米管復(fù)合光催化劑。采用溶膠.凝膠溶洞熱法制備了不同負載能力的碳納米管二氧化鈦納米復(fù)合材料。結(jié)果表明，復(fù)合物對紫外和可見光均有較好的吸收率，隨著納米管含量的增加，復(fù)合物的吸附性能和亞甲基藍的光催化活性都有所提高。陳等用水熱法合成了鐵酸鋅納米管復(fù)合材料，在一定條件下用可見光照射降解亞甲基藍染料，探索復(fù)合材料對可見光區(qū)的吸收作用。研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管表面能夠產(chǎn)生高活性的羥基自由基，相互間強作用力減少了光生電子空穴對的復(fù)合率，當照射6h后亞甲基藍染料降解率能達到99%，結(jié)果表明復(fù)合材料具有高光催化活性。

（四）微波吸收的應(yīng)用

碳納米管是理想的準一維納米材料，從可見光到紅外波段，碳納米管都有良好的吸收波特性。在微波頻率下，高的磁導(dǎo)率實部與虛部以及與之相適應(yīng)的介電常數(shù)是構(gòu)成寬頻帶吸波材料的基礎(chǔ)，而碳納米管的微波磁導(dǎo)率相對較小，限制了其作為微波吸收材料性能的進一步提高，因而純碳納米管微波吸收性能較弱。人們期望通過功能化碳納米管，優(yōu)化及開發(fā)新性能，獲得強吸收，寬頻帶碳納米管微波吸收材料。目前，國內(nèi)對碳納米管吸波材料的研究主要集中在碳納米管薄膜、磁性金屬（合金）/碳納米管復(fù)合材料、碳納米管/聚合物復(fù)合材料、碳納米管/硅化物復(fù)合波材料和碳納米管中氣體等離子體微波吸收材料等方面，其中對碳納米管/聚合物復(fù)合材料微波吸收特性的研究尤其受到廣泛的關(guān)注。

二、碳納米管復(fù)合材料的研究趨勢

綜上所述，碳納米管復(fù)合材料在催化劑、電化學(xué)、傳感器、微波吸收材料和增強材料等領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用空間，但在生命科學(xué)和光能材料的研究開發(fā)中應(yīng)用相對較少。此外，國內(nèi)外許多研究機構(gòu)對碳納米管復(fù)合材料的研究還存在許多不足之處。例如，碳納米管增強復(fù)合材料的機理和機理尚不清楚，如何影響復(fù)合材料的性能也不清楚。其次，為解決上述關(guān)鍵問題，應(yīng)將模擬與實踐相結(jié)合，研究碳納米管復(fù)合材料的宏觀和微觀效應(yīng)，建立多尺度模型，對材料的物理和化學(xué)性能進行詳細分析，研究材料的綜合性能。

參考文獻：

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