纳米碳管范文

纳米碳管范文（精选7篇）

纳米碳管 第1篇

镍基板上低温合成定向纳米碳管

纳米碳管具有非常优异的.场发射效应, 亮度高、均匀且稳定的纳米碳管场效应发射器, 例如平板显示器、阴极射线管以及信号灯等有着非常广阔的应用前景[1]. 由于纳米碳管的场发射效应与纳米碳管的方向性有关[2], 因此定向纳米碳管的制备及其场发射性能研究是当前的一个研究热点. 定向纳米碳管的制备有切片法[3]和过滤移植法[4]等. 这些方法在一定程度上满足了性能测试的需要, 但对于其应用却意义不大.

作 者：王升高 汪建华 王传新 满卫东 马志斌 张保华  作者单位：王升高,王传新,满卫东(武汉化工学院材料科学与工程系,武汉,430073;中国科学院等离子体物理研究所,合肥,21)

汪建华,马志斌,张保华(武汉化工学院材料科学与工程系,武汉,430073)

刊 名：高等学校化学学报  ISTIC SCI PKU英文刊名：CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES 年，卷(期)：2003 24(7) 分类号：O613.71 关键词：定向纳米碳管   微波等离子体化学气相沉积法   低温   镍基板  

纳米碳管 第2篇

一种新型结构碳材料-碳管套碳纳米丝

以氢气和甲烷为气源,利用钟罩式微波等离子体化学气相沉积(MWPCVD)系统制备了一种新型结构碳材料--碳管套碳纳米丝,用扫描电子显微镜和拉曼光谱仅对它的`形态结构和成份进行了分析.这种新型结构碳材料,具有与碳纳米管、碳纳米丝相似的性质,并在某些领域(如电子源探针、纳米电子器件等)具有很好的应用前景.

作 者：段新超 王小平王丽军 王隆洋 张雷 DUAN Xinchao WANG Xiaoping WANG Lijun WANG Longyang ZHANG Lei 作者单位：上海理工大学理学院,上海,93刊 名：固体电子学研究与进展 ISTIC PKU英文刊名：RESEARCH & PROGRESS OF SOLID STATE ELECTRONICS年，卷(期)：28(3)分类号：O.482关键词：碳管 微波等离子体化学气相沉积 碳管套碳纳米丝

纳米碳管的结构、制备及其应用 第3篇

碳纳米管又被称为巴基管, 是由日本电子显微镜的专家饭岛于1991年发现。当时饭岛先生在对石墨电弧中的球状碳分子进行高分辨显微镜观察时, 偶然的发现管状的碳分子, 这种分子由同轴纳米管构成。这一发现对于新型纳米材料的出现奠定了基础。

碳纳米管具有典型的层状中空结构特征, 构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构, 并且大多数由五边形截面所组成。管身由六边形碳环微结构单元组成, 端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构, 或者称为多边锥形多壁结构。是一种具有特殊结构的一维量子材料。

目前来说, 碳纳米管可以当之无愧的被称为最佳聚合物复合材料的增强材料, 因为其不但具有特殊的电学化学以及力学特性, 还是良好的光学材料以及具有储氢特性。并且由于重量轻以及其完美的六边形连接结构, 碳纳米管在一维纳米材料中也具有特殊的地位。

激光烧蚀、辉光放电、固相热解、气体燃烧、电弧放电以及化学气相沉积也就是俗称的碳氢气体热解是现代常用的碳纳米管的制备方式。聚合反应合成也可以用作碳纳米管的制备。

电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电法生产的碳纤维中首次发现碳纳米管的。电弧放电法的具体过程是:将石墨电极置于充满氦气或氩气的反应容器中, 在两极之间激发出电弧, 此时温度可以达到4000度左右。在这种条件下, 石墨会蒸发, 生成的产物有富勒烯 (C60) 、无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管。对于化学反应的反应物以及催化剂进行调节可以得到不同产量的产物, 因此对于容器中氢气量以及催化剂量进行调节可以对产物中的各个相对产量进行调整。虽然在制作方法上比较简单, 可是在实际操作时往往得到的是碳纳米管和C60的混合物, 不单是得不到高纯度碳纳米管, 且碳纳米管都是多层的, 这与人们所需要的单层碳纳米管的要求不符。另外, 在能耗上, 这种方法也消耗过大, 因此研究人员对此作出了改进, 将阳极换成融化的氯化锂, 这样不仅降低了反应能耗且产物较之于之前也得到了大大的提高。

近年来发展出了化学气相沉积法, 或称为碳氢气体热解法, 在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷。这种方法是让气态烃通过附着有催化剂微粒的模板, 在800~1200度的条件下, 气态烃可以分解生成碳纳米管。通过化学气相沉积可以在相对能耗较低的条件下得到高纯度的碳纳米管。因为参与的反应物是气体, 所以很容易和产物分离。但是局限性就在于这种方法制备出的碳纳米管形状上不尽人意, 管径不整齐形状不规则, 且必须使用催化剂。现在的研究人员主要研究课题就是如何对碳纳米管的结构进行控制, 并且发现催化剂在控制模板上排列的不同可以对其结构进行调整。

固相热解法是一种新型的制备方法, 这种方法是在高温下对常规的含碳的亚稳固体进行热解从而得到碳纳米管。这种方式的主要优势在于无需任何催化, 又因为是原位生长所以过程稳定。但是局限性在于原料受限而不能连续量产。而离子以及激光溅射等方法, 可以连续生产却受制于设备而不能规模化。

2 纳米碳管的应用

碳纳米管由于其结构的特殊性, 被应用到多个领域, 其中由于其自重轻以及中空的结构特征可以作为氢气存储容器。氢气被人们视作清洁能源, 但是由于其气体的物理状态储存不方便。而通过实验, 研究人员发现利用碳纳米管贮存氢气的密度较之于液态或者固态更胜一筹, 而且使用的时候只需进行适当的加热氢气就会被释放出来, 因此碳纳米管在储存氢气上的应用值得研究。而科研人员也试图寻找出最合适的碳纳米管储氢容器。

在碳纳米管的内部可以填充金属、氧化物等物质, 这样碳纳米管可以作为模具, 首先用金属等物质灌满碳纳米管, 再把碳层腐蚀掉, 就可以制备出最细的纳米尺度的导线, 或者全新的一维材料, 在未来的分子电子学器件或纳米电子学器件中得到应用。有些碳纳米管本身还可以作为纳米尺度的导线。

神奇的纳米碳管 第4篇

奇怪的物质特性

纳米碳管的形状是独特的，而且其优异的性质更是让世界大吃一惊。例如纳米碳管根据直径的大小或碳原子的排列方式不同，它会成为良导体的“金属”或者具有一点导电性的“半导体”。这是非常不可思议的。铜、铁等金属无论何时总是金属，普通的橡胶总是不导电的“绝缘体”而纳米碳管仅由碳构成，却有时是金属，有时是半导体，通常物质是不会具有这种特性的。

目前，科学家已经利用纳米碳管这种性质制造出了场效应晶体，实现了比原来硅晶体更好的性能。所谓晶体管是可用于信号放大或开关等的元件，能够将多个半导体组合在一起制造。如果利用极细的纳米碳管，最终能实现单个电子都能控制的晶体管，科学家预测将来用它代替硅。

纳米探针“眼睛”

作为观察原子的高技术显微镜之一的扫描型探针显微镜，用纳米碳管做该显微镜的“眼睛”，将纳米级的探针最大限度地靠近试样表面，感知作用在试样与探针之间原子的力或微弱电流，查明试样表面原子级的凹凸程度。显然，探针越细越尖，显微镜的精度越高。纳米碳管是纳米尺寸，非常细且强度高，因为还有弹性，与目前正在使用的硅探针相比，具有难以损坏的长寿命。用纳米碳管作为纳米世界的“眼睛”，甚至可以观测蛋白质的微细结构。

显示器的能耗低

纳米碳管的研究中，最引人注目的是它在低功耗平板电视上的应用。纳米碳管在显示器中作为电子枪使用，一旦在纳米碳管上施加电压，电子从其前端像枪弹似地发射出，这是所谓的“场致发射”现象。如果这个电子撞上涂在玻璃屏上的荧光涂料，荧光涂料就会发光。一般在金属的尖端，容易引起场致发射，用低的电压射出。多次实验论证，用极细且强度高的纳米碳管作电子枪是最好的材料。世界上率先开发出以纳米碳管为电子枪的荧光管，首先是将多个这样的荧光管排列，组成非常高的电光告示牌。

利用纳米碳管不单是作为平板电视显示器已被产品化，还用作等离子显示器。红绿蓝是光的三原色，三原色的不同组合可以制造所有的颜色。等离子显示器的原理基本上与荧光灯一样，通过在气体中放电产生紫外线，紫外线再射到玻璃屏内侧涂有红绿蓝的荧光体上使其发光，图像被显示出来。简单地说，等离子显示器是许多个微小荧光排列构成的画面。

等离子显示器可以显示清晰的图像，使大画面成为可能。由于比一般家庭普及的电视机更薄，所以非常受欢迎。缺点是等离子显示器的消耗功率大。据估算，75厘米高清晰电视，若用等离子显示器消耗功率是240瓦左右，用纳米碳管只需6.8瓦左右。

纳米管电子枪

纳米碳管作为电子枪使用的平板电视显示器被称作纳米碳管场致发射显示器，其原理基本上与我们熟知的普通电视机显像管一样，只是普通显像管为了使画面放大，电视机主体务必要有一定的厚度。

而纳米碳管场致发射显示器的情形，每一个微小像素配置的纳米碳管电子枪，因被安装在紧靠画面后方的阴极，所以能够薄型化。再者，纳米碳管的电子枪低压发射电子，所以消耗功率低，又因可以快速应答。所以不会出现余像。

关于纳米碳管场致发射器，今后的一个课题是纳米碳管的电子发射如何能够均匀分布在整个画面，使整个画面亮度相同。

另外，若能以更低电压发射电子也是很重要的。如果在80伏特以下，则显示器元件就可使用现有便宜的低压用集成电路，从而降低显示器整体的成本。

对于研究人员而言，下一步将探讨如何拓宽碳基底集成电路或纳米机械的应用，人们通过这些出自常见碳的新材料看到了高科技所显示的巨大威力。或许除了碳以外，在我们身边还隐藏着其他新材料。

纳米碳管的表面改性方法研究进展 第5篇

自1991年发现纳米碳管(Carbon nanotubes, CNTs)以来,其独特的准一维管状结构及特有的电学、机械、吸附等性能引起了化学、物理及材料科学等领域学者的关注[1,2],在未来各科技领域具有潜在的应用价值。由于CNTs自身的憎水性和它们之间的π-π作用以及管外壁较强的范德华力影响,再加之其表面的相对惰性,缺乏活性基团,极易聚集成束或缠绕,难以在基体或水相中分散,且在各种溶剂中的溶解度都很低,这些性质限制了它在各领域中的应用。CNTs的分散及表面改性,最初是通过共价官能化实现的,在缺陷点位上可以形成多种形式的化学键,如酰胺基、酯基等[3,4]。在非缺陷点位上,CNTs的侧壁化学改性已经实现[5,6],如氟化反应、与甲亚胺叶立德或臭氧的1,3-环加成反应[7,8]、与氮宾的[1+2]环加成反应、与亲核碳烯的加成反应[9]、与芳香重氮化合物的重氮化作用[10,11]以及一些还原反应[12,13]。后来人们尝试通过非共价功能化的方法,最大限度地保持CNTs原有的结构性能,通过氢键、π-π堆积、静电力、憎水性、范德华力等非共价作用,形成热稳定结构。

1 氧化法

纯化处理具有可控性好、操作性强、处理效果明显等优点,非常适用于CNTs的表面改性,同时也是一种节能、环保、高效的技术。纯化处理能够除去杂质,使CNTs表面的羟基、羧基含量明显提高,改善其与聚合物之间的相容性及润湿作用[14,15]。

一般通过液相或气相氧化法达到纯化的目的,CNTs的氧化是其表面化学改性的基础。由化学气相沉积法制得的CNTs所用的载体和催化剂多为较活泼的金属及金属氧化物颗粒,还掺杂了无定形碳及石墨状碎片,通常采用混酸氧化法、硝酸氧化法去除。而电弧法制备的CNTs则采用燃烧法、CO2氧化法、高锰酸钾氧化法去除制备中产生的碳纤维和活性炭颗粒。目前多采用液相混酸氧化CNTs,其原因可能是单独用浓硝酸和浓硫酸对CNTs都有一定的腐蚀作用,且氧化缓慢,而采用混酸时,硝酸和硫酸发生了协同效应,使其氧化速率大大提高。气相氧化法指在空气中通过高温退火处理使CNTs氧化。Anil Suri等[16]发现在不用含氧酸处理的情况下,将CNTs在空气中350℃加热氧化1h,然后在室温下于盐酸中浸泡8h,不但去除了无定形碳杂质及金属催化剂颗粒,而且对CNTs结构破坏最小。与含氧酸处理法相比,气相氧化法不会在CNTs表面形成碎片。他们同时指出,即使用液相氧化法纯化CNTs,空气氧化这一步骤也是不可缺少的。

2 碱浸蚀法

Ji等[17]用KOH碱浸蚀法对多壁和单壁碳纳米管做活化处理,大大提高了碳纳米管的表面积,在典型芳香族化合物及抗生素药物吸附解吸研究中表明,单壁和多壁CNTs上的吸附量分别增加了2~3倍和3~8倍。对于选定的芳香族化合物,与原始的CNTs相比,KOH处理的CNTs增强了吸附的可逆性,原因在于产生了更多相连的孔结构及较少的孔变形。采用这种方法根据吸附的目标化合物对吸附剂进行改性,使CNTs作为吸附剂应用于环境领域。

3 纳米碳管的表面非共价有机改性

CNTs的非共价改性是在不改变导电性的基础上对其表面性质进行调节,增强由范德华力导致的界面连结及分子间的非共价键合。大多数非共价改性是利用表面活性剂、聚合物或天然生物大分子化合物等吸附在CNTs表面以增加其溶解性。这种方法可以保持CNTs结构原状,不会影响其力学性能,但改性幅度有限。

3.1 P-P官能化

CNTs的侧壁是石墨碳烯的片层结构,碳原子的sp2杂化形成了高度离域的P电子,这些P电子可以与含P电子的化合物通过p-p非共价作用结合,形成官能化的CNTs。这种修饰方法不会对CNTs本身的结构造成破坏。Stoddart等[18]用一种共轭发光聚合物(间-亚苯亚乙烯)衍生物PmPV与单壁纳米碳管(SWNTs)间产生p-p作用,通过苯基、乙烯基缠绕于SWNTs上,得到了稳定的SWNTs悬浮液。表征结果显示,随着PmPV含量的增大,悬浮液中SWNTs束的平均直径变小,SWNTs的表面覆盖度逐渐均匀。PmPV的化学结构及其修饰的SWNTs如图1所示。

3.2 聚合物非共价修饰

一些不含π电子的有机化合物也可以与CNTs结合,通过偶极作用、氢键及范德华力等物理作用缠绕在CNTs表面。O′Connell等[19]将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)包裹在SWNTs管壁上,提高了SWNTs的亲水性,较好地解除了SWNTs的聚集效应,得到了稳定的SWNTs悬浮液。 一些双亲性聚合物可以通过物理吸附的方式缠绕、包裹在CNTs的侧壁上[20],带官能团或含有共轭结构聚合物的高分子链段整体与CNTs产生非常强的静电吸附、π-π堆垛作用,或者聚合物只有部分高分子链段与CNTs产生相对较弱的吸附作用,其余部分链段起到空间稳定作用。CNTs与聚合物间的强耦合作用改变了CNTs的表面化学状态,进而改变了管与管以及管与溶剂之间的作用,但这种作用局限于CNTs表面和聚合物本身的化学结构,很难进行调节,因此选择合适的聚合物至关重要。Sinani等[21]利用一种双亲性阳离子聚合物,通过憎水性主链与CNTs侧壁的石墨烯片层作用,减少或消除CNTs表面与水相的接触,以物理吸附的方式缠绕到CNTs的侧壁上,聚合物侧链中的四烷基铵离子缠绕到CNTs体系中,提供了亲水的环境,为缠绕后的CNTs在水中的分散提供了驱动力。近年来研究表明,一些嵌段聚合物和端部带有官能团的聚合物改性的CNTs之间产生的空间位阻作用可以保障CNTs分散体系的稳定。E. J. Petersen等[22]用多功能树枝型分子聚胺(PAMAM)通过较弱的吸附作用包覆在CNTs的周围,使其均匀地分散在水中。双亲性聚合物的化学结构及其吸附在CNTs上的示意图如图2所示。

3.3 生物高分子非共价修饰

蚕丝蛋白、巨噬细胞、DNA等生物高分子化合物可与CNTs相互作用,形成稳定的分散体系。Cyrill Bussy等[23]把纯化的CNTs分散在巨噬细胞培养液中,巨噬细胞与CNTs相互作用并包覆在其壁上。Hun-Sik Kim等[24]在CNTs表面包覆蚕丝蛋白,使CNTs很好地溶解在水中。

3.4 表面化学镀法

CNTs不润湿表面张力高的金属或过渡金属,未经过表面处理的CNTs与基体之间难以形成牢固的界面结合。采用化学镀时一般需结合CNTs的纯化、敏化、活化等前处理,并合理调整包覆处理工艺,对包覆层进行适当的镀后处理[25]。目前已成功实现化学镀Ni、Cu、Au、Ag、Co-P合金等,均获得较好的涂层。许多金属都能通过化学镀的方法沉积下来,具有优良的均镀和深镀能力,改善颗粒或短纤维与基体的润湿性,不损害增强相的强度。如今,学者对微米级的颗粒或短纤维所进行的化学镀研究均取得了较好的成果[26,27,28]。

3.5 表面活性剂处理法

表面活性剂(SAA)的亲油端朝向CNTs表面,而极性基团端伸向溶剂中,SAA包覆在CNTs上,产生静电或空间排斥作用,抵消了CNTs之间的范德华力,这种排斥与吸引力之间的平衡建立了热力学平衡体系,控制CNTs的分散或团聚状态。SAA分子中的亲水亲油基团在溶液中易产生胶束,两亲性基团由其一端官能团通过吸附,与CNTs之间或与CNTs颗粒表面之间产生偶联和增容作用。Han等[29]提出SAA主要是通过增加CNTs的表面电势而使其悬浮,而非离子表面活性剂还通过增加CNTs之间的空间位阻使其保持悬浮状态。选用合适的SAA,可以得到尺寸、微粒形态可控及分散性能良好的CNTs。由于CNTs的表面效应作用,其表面带有一定的电荷和官能团,高的表面能会使CNTs颗粒趋于变小并团聚,而SAA分子可以降低其表面能,使CNTs颗粒处于稳定状态。SAA的亲水基团可与CNTs表面基团结合形成新的结构,此时CNTs表面具有新的活性。SAA的长尾端可在CNTs颗粒的表面形成空间位阻,防止其再次团聚,改善其在各种介质中的表面反应活性及分散性。X.Yu等[30]采用Triton-X 100处理酸氧化纯化的CNTs,结果表明其分散性很好。Islam等[31]在十二烷基苯磺酸钠(SDBS)溶液中超声SWNTs,制备了稳定的高浓度SWNTs悬浮液。SDBS与Triton-X 100在CNTs表面吸附的示意图如图3所示。

4 碳纳米管的表面共价有机改性

CNTs的共价改性是打破CNTs管间π-π共轭体系,通过化学键合形成牢固的共价键,在CNTs中引入具有反应活性的官能团。此法有助于载荷转移,对改变CNTs的电性能很有意义,但可能损坏CNTs的结构,造成CNTs表面缺陷,降低其长径比,恶化CNTs的机械强度、韧性、刚性等。目前学者正研究一些技术途径,权衡此法的利弊力求改进,选用正确的改性方法,在CNTs的分散、积聚、载荷转换等因素间求得最佳平衡。

4.1 缺陷点官能化

共价功能化最初是从氧化剂的化学切割开始,得到开口且含有一定数量活性基团的CNTs。Sun等[32]利用酸处理CNTs,以CNTs表面上的羧基为反应点,选用N,N-二环己基碳二亚胺作为催化剂,与聚乙烯醇的侧基进行酯化反应得到聚乙烯醇接枝的CNTs,表征结果证实了接枝后的CNTs在水中及聚乙烯醇基体中的分散性都很好,同时与基体聚合物有很好的相容性。Kong等[33]将硝酸处理后的CNTs与亚硫酰氯进行反应得到酰氯化的CNTs,然后将产物与乙二醇进行单端酯化反应得到羟基化的CNTs,接着继续与2-溴-2-甲基丙酰溴进行酯化反应得到溴代异丁酸酯化的CNTs,最后利用溴代异丁酸酯引发甲基丙烯酸甲酯在CNTs表面进行可控的原子转移自由基聚合反应,得到聚甲基丙烯酸甲酯接枝的CNTs。可以通过调节甲基丙烯酸甲酯单体与溴代异丁酸酯化的CNTs的投料质量比控制CNTs表面接枝的聚甲基丙烯酸甲酯的厚度。接枝后的CNTs在一般有机溶剂中的分散性都很好。Gao等[34]先将酸处理后羧基化的CNTs酰氯化,然后将其与己二胺进行单端酰胺化反应,得到胺基化的CNTs,再将胺基化的CNTs分散在苯基甲烷二异氰酸酯和己二胺单体中进行表面原位共缩聚反应,得到聚氨酯分子链接枝的CNTs。

4.2 侧壁官能化

CNTs侧壁sp2杂化的碳碳双键常常表现为缺电子性,带有富余电子的化合物如自由基等能与其侧壁发生反应得到有机官能化的CNTs。氟化反应是修饰CNTs物化性质最有效的方法之一,在改变炭材料表面极性、电导性、吸附性、憎水性等方面尤为突出。氟原子可通过亲核取代反应被其他基团取代,氟化的CNTs表现为强受电子性,可与亲核试剂发生缩合反应,在其表面引入不同的官能团,从而实现CNTs的进一步功能化。原子的亲核试剂包括胺、醇及烷基锂化合物等。利用剧毒单质氟气或在溶液中与有毒氟化物进行反应,不但合成难度高,而且危险性大。目前固相法合成氟化的CNTs已广泛应用[35],此法具有制备方法简单、操作安全的特点。氟化的CNTs具有一定的自润滑性,可作为固体润滑剂直接使用。

Liang等[36]用金属锂和烷基卤化物在液氨中反应,还原烷基化反应得到了官能化的SWNTs。Dyke C A等[37]首次提出一种无需溶剂的官能化方法,将CNTs与4-取代苯胺混合,然后缓慢加入异戊基亚硝酸盐,60℃反应完毕后得到了在有机溶剂中溶解性较好的CNTs,为大批量官能化CNTs开辟了新的途径。Jeon等[38]先将多壁纳米碳管(MWNTs)与4-氯苯甲酸在多聚磷酸介质中直接进行克酰基化反应,得到4-氯苯甲酰基官能化的CNTs(CB-MWNT),再与4-氯苯硫醇发生亲和取代反应,在碳酸钠存在的条件下于甲基吡咯烷酮和甲苯介质中制得线性亚苯基硫化物接枝的CNTs(LPPS-g-MWNT),也可与3,5-氯苯硫醇生成超支化CNTs(HPPS-g-MWNT)。通过共价接枝一定亚苯基硫化物的纳米复合材料,其分散性和熔融加工性都有提高。由于改性的MWNTs表面半导性和半金属传导性都有提高,使得这种材料在不添加化学助剂的情况下很容易压模成型。

4.3 等离子体技术

当粒子以正电荷和负电荷电量相等的形态存在时称为等离子体。等离子体聚合既不要求单体有不饱和单元,也不要求含有2个以上的特征官能团,在常规情况下不能进行或难以进行的反应在此体系中都能顺利进行。反应可用等离子体直接引发单体聚合,也可用等离子体先活化引发剂,然后引发单体聚合[39]。在等离子体中,正负离子是完全自由的,并表现出很高的化学活性,通过相互间的非弹性碰撞,形成含有激活态的反应物离子,较容易地发生化学反应。等离子体聚合是一种新的材料表面改性方法,聚合时能量主要集中于材料表面,利用化学反应将特定的官能团沉积在化合物表面,这种表面改性几乎不改变基体的整体性。Shao等[40]利用氮气等离子体技术处理MWNTs,然后将甲基丙烯酸甲酯与其连续反应,得到接枝甲基丙烯酸甲酯的MWNT-g-PMMA。通过表征分析,原本表面光滑的MWNTs变得粗糙,平均直径增大。由于MWNTs直径的分布范围大、缺陷多,作为复合材料添加剂时,选择均匀性差的MWNTs进行改性,对研究其与基体材料的界面行为更有意义。Yu等[41]应用氧气离子体对MWNTs进行表面改性,增加了CNTs表面官能团的氧含量,得到等离子体氧化的CNTs(po-MWNTs)。

5 无机纳米颗粒改性法

未经改性的CNTs与无机颗粒间较弱的疏水力也可以实现无机颗粒在CNTs表面的包覆。Eliss等[42]将辛硫醇单层保护的Au纳米簇连接到未经氧化处理的CNTs表面,即是通过二者间的弱疏水作用实现的,但此类报道很少。经有机官能化的CNTs表面带上了羟基、羧基等活性基团,这些活性基团在液相介质中常常离解并带某种电荷,金属离子等受静电引力的作用,会吸附在这些活性基团上发生原位合成反应,生成纳米粒子改性的CNTs,将金属离子或微粒“拴”在CNTs上,实现了无机粒子在CNTs表面的包覆。Zein等[43]采用溶胶-凝胶法,成功制得均匀包覆TiO2且具有半导性质的MWNTs,这种合成材料可应用于紫外照射下水溶液环境中芳香族有机污染物的光催化分解。Liu等[44]在酸化的CNTs与Ni2+、Fe3+的混合物中滴入NaOH溶液,经水热处理,将NiFe2O4纳米粒子包覆在CNTs表面。Haremza等[45]利用胺基功能化的CdSe纳米晶将其成功地附着于酰卤基团改性的SWNTs表面。Zhao等[46]以硫化钠为硫源,用分散剂SDS对CNTs进行表面改性,通过原位合成法将ZnS纳米颗粒均匀包裹在CNTs表面,既能保证二者的有效结合,又保持了CNTs π电子结构的完整性。Sun等[32]利用反微乳非共价合成法,将ZnO、MgO纳米粒子包覆在CNTs表面。无机纳米颗粒在纳米级的微乳液中进行合成,颗粒尺寸小、团聚度低,由于CNTs与无机颗粒间是通过非共价键结合,它的各种物化性质不会被破坏。最近,Ahmadi等[47]利用Pt纳米颗粒分散在硫磺改性的CNTs表面,使其在燃料电池催化剂领域具有应用前景。

6 研究需求与展望

对于CNTs的表面改性研究,今后应着重考虑选择较为温和的实验条件,最大限度地保持CNTs结构和性能的完整性。力求研究成本低、简单有效、大批量官能化CNTs的方法,可以借助气体处理、无溶剂化反应等先进的实验手段实现这一目标。另外,应注重CNTs的超声化学、光电化学、微波化学等多学科的交叉,将各种改性手段有机结合,提高修饰效果。同时,力求对CNTs做到定量修饰,为其实际应用打下基础。最后,应丰富完善CNTs的无机改性体系,利用CNTs与无机物质间功能特性的协同作用,拓展其应用范围。

纳米碳管艺术 第6篇

不过，说起纳米艺术和纳米碳管艺术，大多数人还真没听说过：难道纳米、纳米碳管也可以用来搞艺术?

纳米艺术是近几年才出现的新生事物，是随着纳米科技的飞速发展而产生的纳米学科分支。作为纳米科技的“明星”，纳米碳管当然不能被排除在外，它是纳米艺术中的主角。

现在，科学家或者纳米艺术家已经可以用纳米碳管做平面绘画、三维造型、纳米碳管扬声器、纳米收音机、纳米琴弦、SPM(扫描探针显微镜)绘画的“画笔”等。另外，科学家们做纳米碳管理论研究时也常常发现，纳米碳管的分子构型、周围的电磁场等通常也都具有一定的艺术欣赏性。

纳米碳管平面绘画艺术

说起纳米碳管平面绘画艺术，最值得一提的要算前一阵在媒体上被炒得沸沸扬扬的“纳米奥巴马”头像了。纳米奥巴马头像是由美国密歇根州立大学机械工程系教授约翰·哈特制造的。如图1所示，每个纳米奥巴马头像包含着1.5亿个纳米碳管，这些纳米碳管像丛林中的树木一样垂直地排列着，每个纳米碳管都是中空圆柱体结构，直径仅为人类头发的五万分之一。据称，为了创建“纳米奥巴马”头像，哈特教授模仿了画家谢泼德·费尔雷绘制的奥巴马素描。首先，哈特将素描头像缩小，并使用激光将头像打印在一块玻璃板上；然后，用紫外线照射模板。当紫外线穿过这个玻璃板模具时，会在一张硅薄片上形成相应的投影头像；接着，他在这个头像图形的基础上生成纳米碳管，在制造纳米碳管时采用了高温催化化学反应；最后，使用电子显微镜对纳米奥巴马头像进行拍照，得到了头像仅有0.5毫米大小的纳米艺术作品。

事实上，像这样用纳米碳管进行平面绘画，对约翰-哈特教授来说并非第一次。早在2006年，哈特就因采用了类似的方法绘制了40个Playboy的纳米碳管小兔子画像而名声大噪。如图2所示，当时绘制的每只兔子的尺寸仅为100多微米。目前，这种纳米碳管的平面绘画技术已经比较成熟。

纳米碳管三维造型艺术

如果说上面谈到的纳米奥巴马和纳米小兔子均属于纳米碳管的平面绘画艺术，那么，美国伦斯勒工业大学一位教授运用纳米管立体结构“绘制”的“雏菊”，则应属于纳米碳管的三维造型艺术范畴。如图3所示，画面上显现的一朵朵三维“雏菊”均由成千上万个排列方向不同的纳米碳管束构成，雏菊的直径约80微米。该成果展现的是这位教授不久前开发的一种新方法：用纳米碳管作骨架按设计要求制作立体结构。

该项作品的制作思路大致如下：首先，在硅半导体上做成氧化硅模具；然后，在这个模具上利用化学气相生成法所需的条件对纳米碳管的生长速度进行控制，从而使它们成长为符合目标方位的碳管造型。

纳米管音频艺术

2009年1月，美国《连线》杂志评选出2008年十大科学突破。图5纳米碳管小刀?纳米碳管单弦琴?其中之一为我国清华大学科学家使用纳米碳管制作的扬声器。这个扬声器实际上是一种纳米碳管薄膜，其发声机制和普通扬声器完全不同，普通扬声器的发声机制为机械振动，纳米碳管膜的发声机制为热致发声，即通过电流加热“使之”振动并发出声音。这种纳米碳管扬声器的声音虽然有点刺耳，但仍能依稀听出播放的是什么歌曲。

另外一个利用纳米碳管发声的设备为纳米碳管收音机。它是美国加州大学物理学家泽托教授2007年的杰作。

2006年，美国科学家辛格制成了纳尺度的“纳米小刀”，这把纳米小刀被认为将来可能用于细胞手术。事实上，纳米碳管小刀也相当于一把单弦琴，若利用激光脉冲或SPM探针拨动琴弦，如图5所示，使得纳米碳管振动起来，该单弦琴也同样会发出特定频率的声音来。

上述种种迹象表明，纳米碳管扬声器、收音机、单弦琴的出现，使得纳米碳管发声、甚至歌唱成为可能，这将为今后纳米声乐艺术的发展提供崭新的思路。

纳米管在“SPM绘画”中的应用

20世纪80年代，扫描探针显微镜(SPM)的发明使人们对物质世界的认识与改造深入到了原子和分子层面。SPM成为人类首次既可以直接观察原子、分子、纳米粒子，又可以直接操纵原子、分子、纳米粒子的工具。如图6所示，由于SPM探针针尖的曲率半径小，并且和样品之间的距离很近，在针尖与样品之间可以产生一个高度局域化的力场、电场等。该场会在针尖所对应的样品表面微小区域产生力的作用、相变、化学反应等，这正是利用SPM进行纳米加工、操纵粒子和绘画的客观依据。

图7为科学家使用SPM搬动一氧化碳分子在铂表面绘制(拼出)的“分子人”，分子人身高仅为几个纳米。要像图7那样使用SPM搬动原子、分子进行绘画，SPM探针针尖的曲率半径必须要足够小，最好达到几十纳米(1纳米=10^-9米，相当于1米的10亿分之一)。然而，目前大多数SPM探针针尖的曲率半径都在300纳米以上，用这么粗的SPM探针去操纵直径小于1纳米的原子或分子，就好比我们用一个磨盘粗细的“大柱子”去拨动一粒芝麻一样，显然是力不从心的。为此，科学家们成功地在SPM探针针尖上安装了纳米碳管，最终解决了上述难题。由于纳米碳管的直径很细，一般只有几十纳米，这样，SPM搬动原子／分子进行作画、并对最终的原子／分子画进行观察就变得容易了。原子、分子绘画也终于有了强有力的工具。

纳米管理论研究过程中的艺术

为了研究纳米碳管的力学、电磁学等物理化学特性，科学家经常采用各种计算机软件对纳米碳管进行电磁场、力场等理论模拟。如果留意的话，科学家会发现，模拟的结果中，碳管周围的各种电磁场等往往是绚丽的，常带有一定的艺术性。正如图8所示，它们分别为理论模拟后纳米碳管束周围的磁场和电场。

由于纳米碳管具有中空的柱状结构，因此，在设计未来的分子机器中，经常被认为是优先考虑的“部件”。现在，美国的一些纳米软件公司已经开发了专门的纳米工程设计软件，用来设计分子机器。目前，使用这款软件，科学家们已经设计了许多具有特定功能的分子机器。如果从审美的角度来看，这些机器个个都堪称微观世界的艺术珍品。在这些纳米工程设计软件中，纳米碳管模型的生成都被无一例外地作为一个重要的模块；纳米碳管已成为计算机辅助分子机械设计中的重要单元。图9为纳米工程设计软件设计的分子传动齿轮实例。在该分子机械中，两个纳米管分别被用作主动和从动齿轮的中轴。

事实上，即使不去考虑纳米碳管周围的场的分布或者其他部件，只要心情好，在计算机软件／屏幕上沿着碳管的轴向看去，这种纳米碳管的景象同样能给人以美的视觉享受。(文章代码：1306)

纳米碳管 第7篇

一、碳管理会计概念框架

为使企业寻求碳绩效的努力最小化,避免不必要的成本,有必要构建一个统一的CMA概念框架。企业根据这个框架,结合自己的具体情况,可探寻最适合自己的方法,提高碳管理绩效。参考Burritt等(2002)的环境管理会计概念框架,并结合德国10家具有行业领先的上市公司访谈的CMA实践,Roger等(2011)构建了CMA概念框架,如表1。

CMA概念框架从多角度进行了阐释。从信息的表现形式,有货币性信息和非货币性信息;而收集信息面临的决策情景而言,有历史导向的信息和未来导向的信息;从信息出现的频率而言,有一般信息和特殊信息;从信息反馈的期间来说,有长期信息和短期信息。因此,企业碳排放会计活动将会由于数据的类型、收集信息的广度、范围和周期性的差异而不同。

二、碳管理会计带来的碳管理系统挑战

CMA可视为一种方法,是一套新的信息管理和核算方法,旨在创造和提供高质量的信息,至少支持公司碳中和运动。为了使CMA概念框架有效发挥作用,首先,需要收集大量的与气候变化相关的信息,不仅仅限于二氧化碳和碳当量的成本信息,还需要货币信息和非货币信息以及这些信息的管理方法等。第二,为了满足公司各种不同的决策情景和决策目的,需要在组织内部不同的地方收集碳相关信息。

组织层面上,碳会计可以支持公司所有职能部门的碳减排管理。为顺应国家监管要求、市场压力和社会需求,企业引入CMA系统来收集信息(Stern,2007)。如设计与全球报告倡议组织(GRI)一致的可持续发展报告,以及满足财务投资分析目的改善企业可持续性评级等。管理层进行改善的内在管理动机也会驱使企业进行碳管理和碳核算。然而,每个公司职能部门有不同的核心业务,在CMA框架指导下,组织内部各部门面临着碳决策及一系列的挑战,具体如表2所示。由表2可知,顺应碳战略管理需求,企业如何在碳竞争中获得竞争优势,各个部门均面临着挑战,比如生产管理部门如何开发核心管理系统、财务部门如何调整和开发与碳绩效和财务绩效相关的新的方法等。顺着参与者及其职能之间的整个相互作用链,发现碳管理方面可能存在的缺陷。尽管对碳管理各个层面的理解提高,企业内部各个部门开始意识到已获得的成果,然而却是孤立的方式理解。比如,公共关系部门对外报告的排放数据很感兴趣;而工厂管理人员只对降低能源消耗感兴趣,因而了解并实行清洁生产,提高流程效率;排放交易员以不浪费资源为目的,致力于优化排放交易;营销人员也许对碳标签、认证以及产品优化设计感兴趣,通过产品创新使顾客的碳影响降低等。由于各自以孤立的方法来处理这些问题,相关部门之间很少有协调,专业人员和各部门之间未能建立一个理想的信息流,导致种种低效率,使花费在碳管理的资源数量增多,对公司的经济业绩具有消极的影响。

注:ETS—Emissions Trading Scheme,碳排放交易体系;NGO—non-governmental organization,非政府组织;GRI—The Global Reporting Initiative,全球报告倡议组织

现代组织中,会计的数据收集和信息处理可在几个部门共享,使会计在不同的部门具有不同的功能。碳管理参与者的职责并不是取代会计的职能或会计部门而是让碳信息更易于管理,从而支持会计师的工作。因此碳信息并不是由单个的部门产生的,相反,工程师,车间管理人员和其他职能部门的中层管理者均可扩展他们的职责,生成和传播信息。然而,职能组织管理者似乎只对自己部门有直接联系的信息感兴趣,并且是只有在自己需要时才收集。由于缺乏统一的信息管理系统,各个部门各自收集了相同的信息,并没有利用前期别的部门的已有信息,其实,也许前期或别的部门收集的信息就可以满足他们的需要。再次,与碳相关的信息整合过程对现有信息管理系统提出严峻挑战,需要更新或重新设计,才能使碳相关的信息与财务信息锚定。

为了建立碳管理系统并有效保护碳管理成果,必须收集已经存在的实物信息,使这些实物信息与货币信息联系起来。然而,由于各个部门需求各异,导致各自的碳会计方法是独立的、零散的。同样的信息经常需要收集好几次,使得相关的收集成本增加。因而,从交易成本理论的视角来看,设计一套连接实物和货币信息以及避免数据重复收集的系统是必要的。因此,引入和建立公司碳会计的核心挑战是开发一套系统,该系统以最有效的方式,能够满足所有职能部门的不同需求。通过公司不断发展的碳信息系统与财务会计程序的整合,可以实现企业碳减排愿景、策略、战略、指标、时间表和改进监测记录方法的整合。

可以预计,宣称有更好的碳绩效的企业有可能将设计出一个更合适的方法,将尽可能地使管理碳业绩的所有努力最小化。这种方法最终会寻求减少搜集信息的次数,缩短所需时间,从而优化信息流。同时,在信息质量方面,由于需要专业人员精确界定来避免损失,又会导致成本的增加。总之,降低运行碳会计的成本是首先要克服的,各个部门协调起来,以组织的方式而不是孤立的方式管理和使用碳相关信息,以常规运行的方式整合信息才有助于提高公司碳绩效。

此外,公司有必要考虑更复杂的CMA组织和设计。管理层决策时需要的信息数量和类型决定环境管理会计系统提供的信息数量和类型(Burritt et al.,2002)。管理者及其信息需求与其工作的组织结构相关。在组织结构内部,发展碳相关问题的可能性包括:首先,在现有系统里成立一个新的职能部门;第二,在已有的包含碳会计信息职能部门里,开发一套新的综合管理信息系统;最后,以最适合组织结构的方式,开发一套分散的碳会计系统。Roger等(2011)的研究表明,仅仅那些受到排污权交易监管的公司才设置额外的岗位来收集和管理这些碳相关信息,其余的就在现有的信息系统(通常是环境部门或可持续发展部门)里收集和管理这些信息。目前来看,排放权交易系统的要求是导致这种变化的重要催化剂。

“信息时代”假定企业在现有信息系统里可以收集尽可能多的与企业决策相关的信息,但目前收集的信息数量远远不够,企业需求已向现有的信息管理系统提出了严峻的挑战。因为植入碳气候相关的会计信息之后,组织如此大量的信息,不仅仅是对公司管理流程的一个挑战,更限制了企业实现一个综合管理系统的可能。另外,企业还需权衡信息系统的功能性与灵活性问题。目前的存在的问题是:由于缺乏可行的技术解决方案,导致收集的数据成为临时数据,此外,数据收集过程中还存在一些明显的缺陷:比如数据准确性缺少保证、收集过程效率低下等。由此可见,建立碳管理系统非常必要,但如何建立是一个大挑战。

三、碳管理会计带来的供应链管理挑战

企业在CMA框架下进行碳管理时,首先考虑调整其内部的物质流转情况,然后再考虑其上游供应商和下游客户的供应链创新。因此,目前的碳管理正由一个具体的公司活动演变成为供应链上不同层次的公司之间的合作问题。目前影响特定产品的供应链的碳管理需要处理三个问题:一是界定碳排放的系统边界;二是各个系统边界所采用的核算方法;三是供应链各个阶段碳排放及其相关成本的分配。

为了碳核算和审核,温室气体(GHG)议定书围绕公司业务划分出三个有效边界(WBCSD/World Resources Institute,2004)。范围1为公司直接排放;范围2是与购买电力、热能和蒸汽的间接排放;范围3覆盖其他企业排放的温室气体,比如为本公司服务的第三方物流。公司年度GHG排放报告要求量化范围1和范围2的排放,但范围3的排放由企业自主行使裁量权。对公司来说,在碳报告中包括其间接负责的范围3的排放也许是一个不错的做法。如果排除范围3,为有效减少企业的碳足迹,企业就会采取外包物流。然而,当收集产品层次的碳足迹数据时,纳入所有供应链合作伙伴及其物流供应商的范围3的排放将会导致重复计算,人为地夸大分配给一个具体产品的总排放量。

为减少风险的发生,在产品层次的审核开始之前,企业边界和相应的范围3的排放必须清晰界定。然而,在垂直的供应链内决定碳测算的开始和结束点是个很有争议的选择。如果采用生命周期评价(LCA)的通行做法,碳排放将会追溯到原材料来源,或者在回收材料的情况下,会追溯到再加工点。定义链条的终点可能会有更多的问题。大部分碳足迹试点研究假定供应链的终点定于商品摆放在货架上为止。目前越来越多的在线购买,并送货上门,有效地延长了供应链的使用点。许多LCA技术也考虑产品实际使用及其后续回收或处置的资源消耗和排放。然而,考虑从初级生产者到消费者的“摇篮到坟墓”的LCA技术或“产品路线图”在实践中的蓄势待发,未来的研究可在此基础上进一步地开发或提炼。

与界定碳排放的系统边界相关的,就是相应的会计核算。与系统边界界定相适应的各个阶段的碳管理会计如图1所示:

由图1可见,与范围1相适应的是“公司内部的CMA”,只限于某一具体企业碳管理与核算,而范围2是直接进行能源供应的间接碳排放,相应的就是“能源供应CMA”,其余的间接排放归为范围3,属于“供应链CMA”。这是一种混合性的碳管理会计系统。

识别分配GHG排放至生产者或消费者的边界和责任非常复杂。管理会计或许可能有助于解决边界和分配争议的问题,在供应链里选择绩效测度和控制系统碳会计具有关键性的作用。Dutta and Lawson(2008)描述了将碳足迹纳入强调价值链分析作用的决策系统的一个框架。未来成本会计、运营管理和供应链管理的研究界面将集聚于公司层面以及整个供应链的所有碳排放的可计量性和可追溯性。

第三个问题供应链各个阶段碳排放及其相关成本的分配。在内部CMA方面,体现在自愿减排承诺、成本会计和资源分配,尤其是自愿减排承诺方面。所使用的碳管理工具大多集中在碳流核算、相关的碳成本计算以及短期碳影响的事后评价。另一个问题就是供应链不同阶段不同活动(运输,仓储、消费)的普通成本和联合成本的分配问题。比如,共享相同的交通工具、仓库储存或搬运设备的产品,那么相关的能源消耗和排放(成本)就在这些产品之间进行分配,而所采用的碳管理工具集中在LCA、碳资本影响核算、实物碳投资的事后评价等方面。

如何把供应链管理相关的混合性的碳管理会计工具整合起来,使核算工具可反映价值流和物质流信息,兼具长期性与短期性,历史性和未来性等符合CMA框架的需要,将是一个极大的挑战。也许将物质流成本会计(MFCA)和LCA以及LCC结合起来,是个不错的选择,然而,还需要更深入的理论研究与开发。

四、结论

理论上,CMA面临的挑战无处不在,目前尚未存在成熟的CMA理论指导实践;实务上,企业所需要的碳管理信息是散乱的、不系统的,目前尚未有成功的商业案例。但CMA的研究已是历史发展的必然趋势,碳管理已经成为公司管理重要的经济话题。气候变化已成为一个重大的社会问题,诱使各国政客们引入新的法规,激活了客户询问产品碳足迹信息,刺激投资者探询碳排放引致的公司财务影响的评价。公司碳相关问题的管理成为经济上至关重要的话题。因此,收集、分析、管理和内部交流与碳相关信息成为支持和沟通管理决策的有力工具,随着二氧化碳排放权交易市场的增多,处理碳相关问题的相应激励措施也在增加,越来越多的部门和管理层关注二氧化碳问题。对公司的各个部门和管理者来说,气候变化相关的信息不仅仅是为可持续发展服务的部门信息,而是重要的经济信息。

摘要：碳管理会计(CMA)是向企业提供碳相关信息的有力工具,理论上CMA概念框架可帮助企业识别碳管理过程中的各种联系与机会,然而在实际应用时,却依然面临缺乏综合性的碳管理系统、缺少成熟的混合性的CMA方法支持供应链管理的挑战。

关键词：环境管理会计,碳管理会计,碳管理系统,供应链管理

参考文献

[1]罗喜英:《碳管理会计概念框架的权变解读》,《财会月刊》2016年第7期。.