＊柳啟豪 祝媛媛

（湖北大學(xué)知行學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院 湖北 430000）

塑料自從被發(fā)明創(chuàng)造以來(lái)因?yàn)槠淠退⒛透g而且比金屬更輕的優(yōu)點(diǎn)就被人類廣泛使用于各個(gè)領(lǐng)域，但是塑料相比較于金屬也有其缺點(diǎn)，塑料在自然條件下是不能降解的，因?yàn)槿祟惖拇笠?guī)模使用已經(jīng)造成了嚴(yán)重的白色污染。目前對(duì)于塑料有效的處理方法僅僅是焚燒和找地方填埋，但是這樣的處理方法也會(huì)造成二次污染，因?yàn)樗芰媳蝗紵龝?huì)產(chǎn)生多氯化苯并二惡英等有害物質(zhì)，塑料在帶給人類方面的同時(shí)也帶來(lái)了不可逆轉(zhuǎn)的污染，但是塑料的使用已經(jīng)在人類的世界里變得不可或缺，想要取消塑料的存在幾乎不可能，因此很多研究人員就從如何無(wú)公害有效處理塑料的角度出發(fā)，希望從其他角度解決塑料的污染問(wèn)題。

1.采用高分子塑料催化裂解碳納米管的重要性

因?yàn)樗芰显斐傻奈廴臼鞘謬?yán)重的，但是因?yàn)槠浞奖阈院蛯?shí)用性又難以割舍，因此很多人都想找出一個(gè)可以讓塑料處理污染最小化的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。在最近幾年的研究當(dāng)中高分子塑料催化裂解制備碳納米管的研究引起業(yè)界廣泛的關(guān)注。因?yàn)樘技{米管的拉深強(qiáng)度、密度以及熱導(dǎo)率這三項(xiàng)數(shù)據(jù)均優(yōu)于鋼管，這個(gè)新發(fā)現(xiàn)讓其成為很多專家研究新材料的焦點(diǎn)。在眾多制造碳納米管的方法當(dāng)中成本最低效率最高的就是催化裂解。

2.以鎳作為催化裂解塑料制造碳納米管

鎳作為裂解塑料制造碳納米管的催化劑比鐵使用的頻率更加高，這是因?yàn)殒嚹芨雍玫膶?duì)塑料裂解產(chǎn)生催化作用，其中的原理就是塑料當(dāng)中聚化合物當(dāng)中的C-C、C-H鍵更容易被鎳催化裂解。而且在進(jìn)行催化裂解的過(guò)程當(dāng)中鎳作為催化劑更加穩(wěn)定可靠，這就是鎳比鐵更適合作為碳納米管裂解催化劑的原因。

(1)嘗試用氣相沉積法以及鎳作為催化劑制作碳納米管的研究

最近的多項(xiàng)研究表明，使用600℃到800℃的氣相沉積法制備實(shí)驗(yàn)時(shí)，鎳可以作為催化劑將廢棄的聚丙烯制作成納米管。這可以制造出在光電子器配件當(dāng)中使用的碳納米管，在研究調(diào)查當(dāng)中，只要制備溫度達(dá)到400℃的時(shí)候，聚丙烯可以分解成為碳?xì)浠衔飭误w。

(2)碳納米管的使用范圍

碳納米管因?yàn)槠洫?dú)特性可以使用的范圍非常大，可以適用于眾多領(lǐng)域，許多研究人員都在找碳納米管的可能性。

①納米催化劑的制作

裂解制備的基礎(chǔ)就是催化劑，制備出來(lái)的效果如何全部由催化劑的形態(tài)、規(guī)格、結(jié)構(gòu)、尺寸等因素決定?，F(xiàn)在研究最多的納米級(jí)金屬催化劑就是鎳和鐵，上述已經(jīng)對(duì)比兩者的不同，這里要說(shuō)的就是金屬催化劑和其他催化劑的區(qū)別，金屬作為催化劑不同于其他是因?yàn)榻饘俅呋瘯r(shí)是不需要其他載體的，可以單獨(dú)作為催化劑使用，因此在綜合性和經(jīng)濟(jì)性方面來(lái)考慮都是極好的催化劑。

②碳納米管的制作

CNTs的制備關(guān)鍵工藝是使用天然氣等催化劑，這是碳納米管的制備工藝，這都直接決定CNTs的規(guī)格、產(chǎn)量和質(zhì)量。比較有效的是U形管，這種移動(dòng)床反應(yīng)器是由前驅(qū)體原位活化制備納米催化劑以及天然氣催化裂解設(shè)備和其他形態(tài)碳除去組合成。

在U形管當(dāng)中會(huì)有三段反應(yīng)，第一段是催化劑和還原氣體相接觸，在這個(gè)階段催化活性物會(huì)被催化成所需的結(jié)構(gòu)和尺寸，這樣的催化物會(huì)隨著氣溫的升高而變大，在這種情況下生成的CNTs的管會(huì)變得非常大，接著就是第二段反應(yīng)，CNTs會(huì)在原料氣的活化下變成設(shè)計(jì)的尺寸，因?yàn)榇呋瘎┖驮蠚獾姆较蚴窍喾吹?，所以可以保證原料氣的轉(zhuǎn)化率和CNT的收率。最后一段就是生成的碳納米管和氧化性接觸，這個(gè)時(shí)候的CNTs是被氧化的，而且相對(duì)活潑，這個(gè)時(shí)候的CNTs兩端都已經(jīng)被氧化，會(huì)有催化劑顆粒露出來(lái)。

③碳納米管催化和催化劑循環(huán)利用

CNTs的初成品被從U形管當(dāng)中拿出來(lái)的時(shí)候已經(jīng)是被氧化后的碳，已經(jīng)沒(méi)有其他物質(zhì)依附在表面，但是還有部分催化劑在當(dāng)中。再接下來(lái)就是需要將CNTs純化，因?yàn)閯偙荒贸鰜?lái)的CNTs是初產(chǎn)品。因?yàn)橹安捎玫拇呋瘎┦撬嵝缘拇呋瘎?，所以需要拿稀酸溶解催化劑。這種催化劑在60-80℃下可以溶解CNTs初產(chǎn)品中的催化劑，經(jīng)過(guò)過(guò)濾可以得到其中的催化劑溶液，之后還需要補(bǔ)充對(duì)應(yīng)的離子米配比各元素，經(jīng)一部配置納米催化劑，最后時(shí)限催化劑主要成分的循環(huán)利用。

④碳納米管的發(fā)現(xiàn)

說(shuō)了碳納米管的制作，再說(shuō)一下碳納米管的發(fā)現(xiàn)，碳納米管出現(xiàn)的時(shí)間很早，在碳納米管被正式研究公布之前，就已經(jīng)有人可以將其制作出來(lái)，但是以當(dāng)時(shí)的知識(shí)不能解釋這種碳的新形態(tài)，所以一直都處于一種未被公開(kāi)的狀態(tài)。最早可能被人類發(fā)現(xiàn)的時(shí)間是十九世紀(jì)中期，當(dāng)時(shí)就已經(jīng)有人發(fā)現(xiàn)類似碳納米管的結(jié)構(gòu)，在過(guò)后的幾年，有人在制作卷軸狀石墨晶須的時(shí)候就已經(jīng)有碳納米管的生成伴生。

到了二十世紀(jì)，有人在調(diào)查兩個(gè)石墨電極間通電產(chǎn)生活化生成碳纖維時(shí)，會(huì)有小纖維覆蓋在其表面，在其后的幾年，科學(xué)家對(duì)這種纖維進(jìn)行反復(fù)檢測(cè)，最后發(fā)現(xiàn)在其石墨排列的碳組合當(dāng)中有幾層晶體碳包在一起，這就是碳納米管的一種形態(tài)，但是當(dāng)時(shí)涉及到知識(shí)盲點(diǎn)，所以沒(méi)有被公布出來(lái)，直到1991年日本人在高分辨率的電子顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)石墨電弧發(fā)電時(shí)發(fā)現(xiàn)一種直徑只有納米級(jí)別的管狀物體，才正式命名這種物體為碳納米管，碳納米是一種具有獨(dú)特化學(xué)和物理性質(zhì)的化學(xué)物質(zhì)，它具有高度的機(jī)械強(qiáng)度還有金屬或半導(dǎo)體的特性，這可以導(dǎo)致電子發(fā)射性能和寬帶電磁波被吸收，在各個(gè)領(lǐng)域這種新的物質(zhì)都被廣泛利用，而且最近幾年這種使用的范圍越來(lái)越廣泛，例如生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、自動(dòng)化技術(shù)、航空技術(shù)航天技術(shù)、能源技術(shù)都將這種物質(zhì)作為研究對(duì)象，目前已經(jīng)掀起一場(chǎng)碳納米管的使用和試驗(yàn)浪潮。

⑤碳納米管的分類、結(jié)構(gòu)和缺陷

碳納米管有兩種不同的形態(tài)，第一種是單層石墨片卷曲，這種叫單壁碳納米管，第二種是多層石墨片卷曲，這叫做多壁碳納米管，兩種都是無(wú)縫納米極管，單層碳納米管是表面覆蓋一層直徑1到3納米的單層納米管，因?yàn)槭菃螌拥脑?，所以極為不穩(wěn)定，而多壁納米管則是覆蓋大于0.3335納米的多層納米管，而這種納米管可以根據(jù)其晶體結(jié)構(gòu)和螺旋角度的不同分為螺旋形和非螺旋形納米管，不同的碳納米管具有不同的導(dǎo)電性，因?yàn)閷?dǎo)電性的差異，碳納米管可以分成金屬碳納米管和半導(dǎo)體納米管。納米管有不同的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，有三個(gè)碳原子完全鍵合而成六角形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。碳納米管雖然是一種很好的材料，但是也有其缺陷型，作為一種理想的材料，碳納米管應(yīng)該是一種無(wú)縫結(jié)構(gòu)，但是實(shí)際的碳納米管比理想當(dāng)中的缺陷多很多，實(shí)際的碳納米管存在局部的不連續(xù)性，而且由很多小的石墨碎片結(jié)合而成，這是一種拼湊的管狀體，所以是不完整，不連續(xù)的，而且這種碳納米管的長(zhǎng)程有序性不高，碳納米管是卷筒結(jié)構(gòu)，因?yàn)槠鋵娱g距離、螺旋形和鄰層面碳原子排列取向的不同很容易造成層間的錯(cuò)位，這就會(huì)導(dǎo)致碳納米管的兩端以及柱面部分存在畸形的變化，這種變化分為五元環(huán)和七元環(huán)，它們都會(huì)存在正面和負(fù)面的高斯彎曲，這是一種結(jié)構(gòu)性的缺陷，但是這里要做一下說(shuō)明，碳納米管并未發(fā)現(xiàn)小于五元碳環(huán)的存在。

3.碳納米管的性能及其應(yīng)用

碳納米管因?yàn)槠渚哂卸喾N可能性而被人們廣泛研究，它將會(huì)對(duì)人們的社會(huì)發(fā)展做出及其重要的貢獻(xiàn)，以下將從幾個(gè)方面對(duì)碳納米管的性能及其應(yīng)用做出分析介紹。

(1)碳納米管的力學(xué)性能及其應(yīng)用

碳納米管是一種理論上強(qiáng)度比鋼還要高100倍的材料，而且經(jīng)過(guò)檢測(cè)，它還具有非常高的楊氏模量，這就證明碳納米管除了強(qiáng)度之外還具有超強(qiáng)的韌性，這在傳統(tǒng)材料中是從未出現(xiàn)過(guò)的，所以碳納米管也被稱為材料世界當(dāng)中的超級(jí)纖維，因?yàn)槠洫?dú)特的力學(xué)性質(zhì)，碳納米管將會(huì)被作為復(fù)合材料的增強(qiáng)劑。除了物理性質(zhì)，碳納米管還有其化學(xué)性質(zhì)，經(jīng)過(guò)檢測(cè)，碳納米管還具有很強(qiáng)的導(dǎo)電性，而且化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，所以被使用于隧道掃描顯微鏡，這就是碳納米管商業(yè)化的一種形式。

(2)碳納米管的發(fā)射性能及其應(yīng)用

碳納米管也因?yàn)槠渚哂屑{米尺度的尖端，可以適用于電子的發(fā)射，因此很多研究者都在這方面做出研究，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的研究和實(shí)驗(yàn)，證明了碳納米管在真空電子領(lǐng)域使用的可能性，很多大公司也公開(kāi)宣布將在微波放大器、真空電源開(kāi)關(guān)、場(chǎng)致發(fā)射電子槍中使用這種材料。

(3)碳納米管的吸附性能及應(yīng)用

因?yàn)樘技{米管的結(jié)構(gòu)是一個(gè)多壁的材料，具有較大的表面積，因此也成為了儲(chǔ)存氫氣的最佳材料，在燃料電池方面，碳納米管將被大量使用，電池將會(huì)是以后的大行業(yè)，它的儲(chǔ)能性將可以使得這個(gè)行業(yè)有很大的發(fā)展。除了電池之外，碳納米管還會(huì)被用于納米金屬導(dǎo)線等，碳納米管因?yàn)槠浔粡V泛使用而讓人類社會(huì)進(jìn)入納米時(shí)代。

4.結(jié)術(shù)語(yǔ)

碳納米管是最近幾十年被發(fā)現(xiàn)的一種新型材料，具有很高的可塑性，很多領(lǐng)域的專家都將其列為研究的重點(diǎn)，例如碳納米管在電池、電子等等領(lǐng)域的使用，這將可以讓人類進(jìn)入一個(gè)環(huán)保的時(shí)代，正是碳納米管的特殊性讓我們可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)飛躍，它不同于以往的材料，它的特殊性讓很多不可能實(shí)現(xiàn)的東西現(xiàn)在都變得有可能，碳納米管將會(huì)成為人類文明進(jìn)步的基礎(chǔ)，將推動(dòng)人類社會(huì)的發(fā)展。