李 鵬

(甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工學(xué)院，甘肅 天水 741025)

碳納米管有著較好的力學(xué)性能、發(fā)射性能、電磁性能、吸附性能和化學(xué)性能，所以有著較為廣泛的應(yīng)用。從碳納米管的分類入手，分析了碳納米管應(yīng)用的優(yōu)劣勢(shì)，研究了碳納米管在分析化學(xué)中的應(yīng)用。

碳納米管；分析化學(xué)；應(yīng)用

1 碳納米管的分類

碳納米管可以按照多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，這與碳納米管應(yīng)用的領(lǐng)域有著較大的關(guān)系。當(dāng)前碳納米管的分類主要有以下幾種：

石墨烯片的層數(shù)分類。從基本構(gòu)造上來看，碳納米管可以理解為石墨烯片卷曲而成的管狀物體。因此，如果石墨烯為單層，那么碳納米管則為單壁碳納米管；石墨烯片為多層，碳納米管則為多壁碳納米管。由于層數(shù)的不同，單壁碳納米管和多壁碳納米管有著一定的性能區(qū)別，其中單壁碳納米管的性能更好，它整體的均勻性很強(qiáng)，而且缺陷較少，但是制備起來較為復(fù)雜。

結(jié)構(gòu)特征分類。按照結(jié)構(gòu)的類型可以將碳納米管分為鋸齒形碳納米管、手椅形碳納米管和手形碳納米管，這種分類和碳納米管自身的螺旋度有著一定的關(guān)系，因?yàn)樘技{米管的螺旋度將影響到其結(jié)構(gòu)的形狀，同時(shí)電學(xué)性能也受到螺旋度的影響[1]。

其他分類。碳納米管的分類大多是根據(jù)其應(yīng)用的領(lǐng)域來進(jìn)行的，因此還可以根據(jù)其管壁是否存在缺陷劃分為缺陷碳納米管和完善碳納米管。另外，碳納米管整體形態(tài)的不同也可以作出不同的分類，如約束型碳納米管和直管型碳納米管。

目前，對(duì)于碳納米管的研究仍在不斷地深化當(dāng)中，所以關(guān)于碳納米管的體系性分類還沒有組建起來，需要人們不斷摸索，最終給出碳納米管最為合適的類型劃分。

2 碳納米管應(yīng)用的優(yōu)劣勢(shì)

2.1 碳納米管應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

碳納米管應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

力學(xué)性能較好。相關(guān)的實(shí)驗(yàn)表明，碳納米管的強(qiáng)度極高，可以達(dá)到鋼鐵的一百倍以上，而且碳納米管的密度還較低，僅為鋼鐵材料的13%左右。另外，碳納米管的韌性也極強(qiáng)，將其添加到其它材料中，可以有效提升其延展性。這些優(yōu)良的性能都使得碳納米管的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，在工業(yè)上有了更多的用途。

優(yōu)良的發(fā)射性能。碳納米管有著納米級(jí)別的尖端，使得碳納米管的導(dǎo)電性能極佳。所以它能夠有效的幫助電子發(fā)射。對(duì)于單壁碳納米管而言，由于外壁較為完整，而且整體的均勻性強(qiáng)，所以化學(xué)性能十分穩(wěn)定，導(dǎo)電性能明顯高于其他材料。但是，由于單壁碳納米管的制備較為復(fù)雜，所以無法在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。碳納米管的納米級(jí)別尖端還可以應(yīng)用到平板顯示器、射線管等多個(gè)領(lǐng)域，這些都體現(xiàn)著碳納米管較為優(yōu)良的發(fā)射性能。

電磁性能極佳。碳納米管的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后，其性能也會(huì)有對(duì)應(yīng)的改變，特別是直徑和螺旋度的影響，能夠使碳納米管體現(xiàn)出導(dǎo)電性或者半導(dǎo)體的特性，這就有利于擴(kuò)大碳納米管應(yīng)用的范圍。在近幾年中新能源電池取得了極大的進(jìn)步，然而容量和導(dǎo)電性等問題阻礙了新能源電池的進(jìn)一步發(fā)展。相關(guān)研究表明，碳納米管在鋰電池材料中的應(yīng)用將有利于改善鋰離子電池的性能。

良好的吸附性能。與其他材料相比，碳納米管的表面積較大，其特殊的管道結(jié)構(gòu)能夠讓其成為儲(chǔ)存其他材料的容器，這些就可以應(yīng)用到燃料電池領(lǐng)域，使其成為新型的能源材料。例如碳納米管可以吸附甲烷、氫氣等，利用碳納米管較好的吸附性能使自身成為一個(gè)載體。碳納米管的這一特點(diǎn)，有利于一些器材進(jìn)一步縮小自身的體積，邁入納米級(jí)別的時(shí)代[2]。

2.2 碳納米管應(yīng)用的劣勢(shì)

碳納米管作為一種新型的材料，其應(yīng)用也有自身的劣勢(shì)存在。首先，如果長(zhǎng)時(shí)間接觸碳納米管，它就會(huì)引起人類眼睛的不適和腸胃疾病。根據(jù)科學(xué)研究的表明，碳納米管在和鼠類接觸后將會(huì)造成其皮膚過敏。當(dāng)然，關(guān)于碳納米管對(duì)人體皮膚是否會(huì)有影響還沒有明確的理論證明，但可以肯定的是單壁碳納米管在進(jìn)入人體細(xì)胞后會(huì)降低細(xì)胞的生存能力。

碳納米管從某種程度上說不是單純的碳，所以某對(duì)于某些生物而言，有著一定的毒性。相關(guān)的研究表明，碳納米管對(duì)于水深動(dòng)植物而言，會(huì)造成生長(zhǎng)速度放緩甚至是死亡的問題，這是因?yàn)樵谥苽涮技{米管的時(shí)候會(huì)用到鎘和鎳等重金屬，而且這些金屬會(huì)殘留到碳納米管當(dāng)中，這和當(dāng)前制備的技術(shù)有一定的關(guān)系。關(guān)于這一點(diǎn)，很多學(xué)者都持觀望的態(tài)度，他們認(rèn)為人類應(yīng)該更謹(jǐn)慎的對(duì)待碳納米管，在沒有充分了解其性能的前提下，不要大范圍的生產(chǎn)和投入到環(huán)境之中，避免造成生態(tài)污染的問題。

3 碳納米管在分析化學(xué)中的應(yīng)用

碳納米管優(yōu)良的吸附性能、導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能、力學(xué)性能和電磁性能使得它在化學(xué)領(lǐng)域也有著較為廣泛的應(yīng)用。對(duì)于分析化學(xué)而言，碳納米管的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

檢測(cè)特定的氣體。碳納米管可以吸附一些氣體，而且在吸附氣體之后碳納米管的導(dǎo)電性有了極大的變化。對(duì)于氨氣、氧氣和氮?dú)獾?，碳納米管吸收它們之后導(dǎo)電能力會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上的變化。而且，不同氣體對(duì)碳納米管導(dǎo)電性能的影響也是不同的。因此，對(duì)于碳納米管的這一性能，它可以幫助化學(xué)領(lǐng)域檢測(cè)特定氣體是否存在，只需要檢測(cè)吸附前后碳納米管導(dǎo)電性能的變化就可以。

對(duì)電極修飾。碳納米管本身有著優(yōu)良的導(dǎo)電性，再加上它獨(dú)特的電子特性，可以將碳納米管針對(duì)性的制成電極，提升原子表面的活性，更容易與其他物質(zhì)發(fā)生電子交換。對(duì)于碳納米管的這一特性，可以將它應(yīng)用到化學(xué)分析領(lǐng)域和電催化的領(lǐng)域，對(duì)于一些特殊的物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)催化。很多物質(zhì)的反應(yīng)用碳納米管催化的效果極佳，可以使物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率達(dá)到百分之百。例如，在催化過氧化氫和酶類等電化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，碳納米管的催化效果要優(yōu)于其他的催化劑，這些都體現(xiàn)了碳納米管做電極修飾的作用[3]。

應(yīng)用于原子力顯微鏡的探針。碳納米管有著極佳的力學(xué)性能，可以用作原子力顯微鏡針尖的材料，這是因?yàn)樘技{米管本身的直徑較小，而且他的比徑較大，相比于傳統(tǒng)的硅材料探針，識(shí)別率更高，探測(cè)的深度也有所提升。再加上碳納米管的彈性較好，受到外力時(shí)也不容易發(fā)生塑性變形，因此可以提升原子力顯微鏡的準(zhǔn)確性。從具體的例子來看，目前已經(jīng)有把碳納米管應(yīng)用到原子力顯微鏡中的例子，可以用于觀測(cè)蛋白質(zhì)五鄰體的結(jié)構(gòu)，還可以對(duì)單個(gè)的蛋白質(zhì)分子進(jìn)行成像分析，在紅細(xì)胞的觀察和DNA序列的分析中也有較大的作用，這些無不體現(xiàn)了碳納米管在應(yīng)用到原子力顯微鏡中的優(yōu)勢(shì)。

分離檢測(cè)。在分析化學(xué)中經(jīng)常要用到物質(zhì)的分離與檢測(cè)，傳統(tǒng)的方式由于精度不夠高，所以在檢測(cè)和分離上做得不夠精確，無法完全達(dá)到預(yù)期的目的。例如對(duì)于一些極性較強(qiáng)的小分子有機(jī)物與其他物質(zhì)的分離，用石墨碳的效果較差，但是如果在碳纖維管的表面增加一些特定的物質(zhì)就可以有效的分離小分子強(qiáng)極性的有機(jī)物質(zhì)[4]。對(duì)于烷烴、醇、醚、酮和酯類物質(zhì)等也是如此，利用碳納米管制作的氣相色譜填充柱能夠有效的實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的檢測(cè)與分離。

復(fù)合材料制備。碳納米管的力學(xué)性能、導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能都極佳，而且碳納米管能夠和其他物質(zhì)有效的結(jié)合，這些特性就使得碳納米管在制作復(fù)合材料時(shí)有著無法替代的優(yōu)勢(shì)。例如在特殊的領(lǐng)域中按照相應(yīng)的比例增加碳納米管材料，能有效提升材料的防靜電和抗磨損能力，應(yīng)用在陶瓷制作中有利于減小陶瓷的重量，還能有效提升它的韌性，使陶瓷抗溫度變化的能力更強(qiáng)。

上述的幾點(diǎn)主要是針對(duì)碳納米管的性能研究它在分析化學(xué)中的應(yīng)用，除此之外碳納米管在其他領(lǐng)域的應(yīng)用前景也十分廣闊，例如模具的制作。因?yàn)樘技{米管內(nèi)部的中空結(jié)構(gòu)，在制作模具時(shí)有著較好的性能。人們通常在碳納米管內(nèi)部填充氧化物把原本的碳層腐蝕掉，這就可以制作出納米級(jí)別的高精度線材。在電學(xué)器件上也是如此，碳納米管作為模具制造的器材精度更高，能夠有效解決復(fù)雜電路帶來的占用空間較大問題。

4 結(jié)語

碳納米管在被人類發(fā)現(xiàn)之后，應(yīng)用的范圍逐步擴(kuò)大。這與碳納米管優(yōu)良的性能有著直接的關(guān)系。目前人們?nèi)栽诓粩嗟纳罨技{米管相關(guān)的研究，希望能夠更好的了解碳納米管的性能。本文主要是針對(duì)分析化學(xué)研究碳納米管的具體應(yīng)用，分別從分離檢測(cè)、復(fù)合材料制備、原子力顯微鏡探針、電極修飾和檢測(cè)特定氣體幾個(gè)方面入手，碳納米管在其他方面的應(yīng)用還有待人們繼續(xù)的開發(fā)。從當(dāng)前的趨勢(shì)來看，碳納米管的應(yīng)用還有著廣闊的前景，隨著技術(shù)的成熟，將更加有效地發(fā)揮出碳納米管的作用。

[1] 蔡稱心,陳靜,包建春,等.碳納米管在分析化學(xué)中的應(yīng)用[J].分析化學(xué),2004(3):381-387.

[2] 趙琨.碳納米管在電分析化學(xué)中的應(yīng)用研究[D].上海：華東師范大學(xué),2007：152.

[3] 董博為.碳納米管在分析和催化劑方面的應(yīng)用[J].河南科技,2013(16):195-196.

[4] 苑利.液晶冠醚、碳納米管、水溶性杯芳烴在分析化學(xué)中的應(yīng)用[J].化學(xué)分析計(jì)量,2006(5):73-75.