碳納米管在分析化學中的應用

李 鵬

(甘肅工業職業技術學院化工學院，甘肅 天水 741025)

碳納米管有著較好的力學性能、發射性能、電磁性能、吸附性能和化學性能，所以有著較為廣泛的應用。從碳納米管的分類入手，分析了碳納米管應用的優劣勢，研究了碳納米管在分析化學中的應用。

碳納米管；分析化學；應用

1 碳納米管的分類

碳納米管可以按照多個標準進行分類，這與碳納米管應用的領域有著較大的關系。當前碳納米管的分類主要有以下幾種：

石墨烯片的層數分類。從基本構造上來看，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。由于層數的不同，單壁碳納米管和多壁碳納米管有著一定的性能區別，其中單壁碳納米管的性能更好，它整體的均勻性很強，而且缺陷較少，但是制備起來較為復雜。

結構特征分類。按照結構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系，因為碳納米管的螺旋度將影響到其結構的形狀，同時電學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其應用的領域來進行的，因此還可以根據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，對于碳納米管的研究仍在不斷地深化當中，所以關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 碳納米管應用的優劣勢

2.1 碳納米管應用的優勢

碳納米管應用的優勢主要體現在以下幾個方面：

力學性能較好。相關的實驗表明，碳納米管的強度極高，可以達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，將其添加到其它材料中，可以有效提升其延展性。這些優良的性能都使得碳納米管的應用范圍不斷擴大，在工業上有了更多的用途。

優良的發射性能。碳納米管有著納米級別的尖端，使得碳納米管的導電性能極佳。所以它能夠有效的幫助電子發射。對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，所以化學性能十分穩定，導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雜，所以無法在工業上實現量產。碳納米管的納米級別尖端還可以應用到平板顯示器、射線管等多個領域，這些都體現著碳納米管較為優良的發射性能。

電磁性能極佳。碳納米管的結構發生變化后，其性能也會有對應的改變，特別是直徑和螺旋度的影響，能夠使碳納米管體現出導電性或者半導體的特性，這就有利于擴大碳納米管應用的范圍。在近幾年中新能源電池取得了極大的進步，然而容量和導電性等問題阻礙了新能源電池的進一步發展。相關研究表明，碳納米管在鋰電池材料中的應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，其特殊的管道結構能夠讓其成為儲存其他材料的容器，這些就可以應用到燃料電池領域，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載體。碳納米管的這一特點，有利于一些器材進一步縮小自身的體積，邁入納米級別的時代[2]。

2.2 碳納米管應用的劣勢

碳納米管作為一種新型的材料，其應用也有自身的劣勢存在。首先，如果長時間接觸碳納米管，它就會引起人類眼睛的不適和腸胃疾病。根據科學研究的表明，碳納米管在和鼠類接觸后將會造成其皮膚過敏。當然，關于碳納米管對人體皮膚是否會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入人體細胞后會降低細胞的生存能力。

碳納米管從某種程度上說不是單純的碳，所以某對于某些生物而言，有著一定的毒性。相關的研究表明，碳納米管對于水深動植物而言，會造成生長速度放緩甚至是死亡的問題，這是因為在制備碳納米管的時候會用到鎘和鎳等重金屬，而且這些金屬會殘留到碳納米管當中，這和當前制備的技術有一定的關系。關于這一點，很多學者都持觀望的態度，他們認為人類應該更謹慎的對待碳納米管，在沒有充分了解其性能的前提下，不要大范圍的生產和投入到環境之中，避免造成生態污染的問題。

3 碳納米管在分析化學中的應用

碳納米管優良的吸附性能、導電性能、導熱性能、力學性能和電磁性能使得它在化學領域也有著較為廣泛的應用。對于分析化學而言，碳納米管的應用主要體現在以下幾個方面：

檢測特定的氣體。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電性有了極大的變化。對于氨氣、氧氣和氮氣等，碳納米管吸收它們之后導電能力會產生兩個數量級以上的變化。而且，不同氣體對碳納米管導電性能的影響也是不同的。因此，對于碳納米管的這一性能，它可以幫助化學領域檢測特定氣體是否存在，只需要檢測吸附前后碳納米管導電性能的變化就可以。

對電極修飾。碳納米管本身有著優良的導電性，再加上它獨特的電子特性，可以將碳納米管針對性的制成電極，提升原子表面的活性，更容易與其他物質發生電子交換。對于碳納米管的這一特性，可以將它應用到化學分析領域和電催化的領域，對于一些特殊的物質進行反應催化。很多物質的反應用碳納米管催化的效果極佳，可以使物質的轉化率達到百分之百。例如，在催化過氧化氫和酶類等電化學實驗中，碳納米管的催化效果要優于其他的催化劑，這些都體現了碳納米管做電極修飾的作用[3]。

應用于原子力顯微鏡的探針。碳納米管有著極佳的力學性能，可以用作原子力顯微鏡針尖的材料，這是因為碳納米管本身的直徑較小，而且他的比徑較大，相比于傳統的硅材料探針，識別率更高，探測的深度也有所提升。再加上碳納米管的彈性較好，受到外力時也不容易發生塑性變形，因此可以提升原子力顯微鏡的準確性。從具體的例子來看，目前已經有把碳納米管應用到原子力顯微鏡中的例子，可以用于觀測蛋白質五鄰體的結構，還可以對單個的蛋白質分子進行成像分析，在紅細胞的觀察和DNA序列的分析中也有較大的作用，這些無不體現了碳納米管在應用到原子力顯微鏡中的優勢。

分離檢測。在分析化學中經常要用到物質的分離與檢測，傳統的方式由于精度不夠高，所以在檢測和分離上做得不夠精確，無法完全達到預期的目的。例如對于一些極性較強的小分子有機物與其他物質的分離，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就可以有效的分離小分子強極性的有機物質[4]。對于烷烴、醇、醚、酮和酯類物質等也是如此，利用碳納米管制作的氣相色譜填充柱能夠有效的實現物質的檢測與分離。

復合材料制備。碳納米管的力學性能、導電性能、導熱性能都極佳，而且碳納米管能夠和其他物質有效的結合，這些特性就使得碳納米管在制作復合材料時有著無法替代的優勢。例如在特殊的領域中按照相應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。

上述的幾點主要是針對碳納米管的性能研究它在分析化學中的應用，除此之外碳納米管在其他領域的應用前景也十分廣闊，例如模具的制作。因為碳納米管內部的中空結構，在制作模具時有著較好的性能。人們通常在碳納米管內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別的高精度線材。在電學器件上也是如此，碳納米管作為模具制造的器材精度更高，能夠有效解決復雜電路帶來的占用空間較大問題。

4 結語

碳納米管在被人類發現之后，應用的范圍逐步擴大。這與碳納米管優良的性能有著直接的關系。目前人們仍在不斷的深化碳納米管相關的研究，希望能夠更好的了解碳納米管的性能。本文主要是針對分析化學研究碳納米管的具體應用，分別從分離檢測、復合材料制備、原子力顯微鏡探針、電極修飾和檢測特定氣體幾個方面入手，碳納米管在其他方面的應用還有待人們繼續的開發。從當前的趨勢來看，碳納米管的應用還有著廣闊的前景，隨著技術的成熟，將更加有效地發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中的應用[J].分析化學,2004(3):381-387.

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

[3] 董博為.碳納米管在分析和催化劑方面的應用[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中的應用[J].化學分析計量,2006(5):73-75.