碳纳米管在分析化学中的应用

李 鹏

(甘肃工业职业技术学院化工学院，甘肃 天水 741025)

碳纳米管有着较好的力学性能、发射性能、电磁性能、吸附性能和化学性能，所以有着较为广泛的应用。从碳纳米管的分类入手，分析了碳纳米管应用的优劣势，研究了碳纳米管在分析化学中的应用。

碳纳米管；分析化学；应用

1 碳纳米管的分类

碳纳米管可以按照多个标准进行分类，这与碳纳米管应用的领域有着较大的关系。当前碳纳米管的分类主要有以下几种：

石墨烯片的层数分类。从基本构造上来看，碳纳米管可以理解为石墨烯片卷曲而成的管状物体。因此，如果石墨烯为单层，那么碳纳米管则为单壁碳纳米管；石墨烯片为多层，碳纳米管则为多壁碳纳米管。由于层数的不同，单壁碳纳米管和多壁碳纳米管有着一定的性能区别，其中单壁碳纳米管的性能更好，它整体的均匀性很强，而且缺陷较少，但是制备起来较为复杂。

结构特征分类。按照结构的类型可以将碳纳米管分为锯齿形碳纳米管、手椅形碳纳米管和手形碳纳米管，这种分类和碳纳米管自身的螺旋度有着一定的关系，因为碳纳米管的螺旋度将影响到其结构的形状，同时电学性能也受到螺旋度的影响[1]。

其他分类。碳纳米管的分类大多是根据其应用的领域来进行的，因此还可以根据其管壁是否存在缺陷划分为缺陷碳纳米管和完善碳纳米管。另外，碳纳米管整体形态的不同也可以作出不同的分类，如约束型碳纳米管和直管型碳纳米管。

目前，对于碳纳米管的研究仍在不断地深化当中，所以关于碳纳米管的体系性分类还没有组建起来，需要人们不断摸索，最终给出碳纳米管最为合适的类型划分。

2 碳纳米管应用的优劣势

2.1 碳纳米管应用的优势

碳纳米管应用的优势主要体现在以下几个方面：

力学性能较好。相关的实验表明，碳纳米管的强度极高，可以达到钢铁的一百倍以上，而且碳纳米管的密度还较低，仅为钢铁材料的13%左右。另外，碳纳米管的韧性也极强，将其添加到其它材料中，可以有效提升其延展性。这些优良的性能都使得碳纳米管的应用范围不断扩大，在工业上有了更多的用途。

优良的发射性能。碳纳米管有着纳米级别的尖端，使得碳纳米管的导电性能极佳。所以它能够有效的帮助电子发射。对于单壁碳纳米管而言，由于外壁较为完整，而且整体的均匀性强，所以化学性能十分稳定，导电性能明显高于其他材料。但是，由于单壁碳纳米管的制备较为复杂，所以无法在工业上实现量产。碳纳米管的纳米级别尖端还可以应用到平板显示器、射线管等多个领域，这些都体现着碳纳米管较为优良的发射性能。

电磁性能极佳。碳纳米管的结构发生变化后，其性能也会有对应的改变，特别是直径和螺旋度的影响，能够使碳纳米管体现出导电性或者半导体的特性，这就有利于扩大碳纳米管应用的范围。在近几年中新能源电池取得了极大的进步，然而容量和导电性等问题阻碍了新能源电池的进一步发展。相关研究表明，碳纳米管在锂电池材料中的应用将有利于改善锂离子电池的性能。

良好的吸附性能。与其他材料相比，碳纳米管的表面积较大，其特殊的管道结构能够让其成为储存其他材料的容器，这些就可以应用到燃料电池领域，使其成为新型的能源材料。例如碳纳米管可以吸附甲烷、氢气等，利用碳纳米管较好的吸附性能使自身成为一个载体。碳纳米管的这一特点，有利于一些器材进一步缩小自身的体积，迈入纳米级别的时代[2]。

2.2 碳纳米管应用的劣势

碳纳米管作为一种新型的材料，其应用也有自身的劣势存在。首先，如果长时间接触碳纳米管，它就会引起人类眼睛的不适和肠胃疾病。根据科学研究的表明，碳纳米管在和鼠类接触后将会造成其皮肤过敏。当然，关于碳纳米管对人体皮肤是否会有影响还没有明确的理论证明，但可以肯定的是单壁碳纳米管在进入人体细胞后会降低细胞的生存能力。

碳纳米管从某种程度上说不是单纯的碳，所以某对于某些生物而言，有着一定的毒性。相关的研究表明，碳纳米管对于水深动植物而言，会造成生长速度放缓甚至是死亡的问题，这是因为在制备碳纳米管的时候会用到镉和镍等重金属，而且这些金属会残留到碳纳米管当中，这和当前制备的技术有一定的关系。关于这一点，很多学者都持观望的态度，他们认为人类应该更谨慎的对待碳纳米管，在没有充分了解其性能的前提下，不要大范围的生产和投入到环境之中，避免造成生态污染的问题。

3 碳纳米管在分析化学中的应用

碳纳米管优良的吸附性能、导电性能、导热性能、力学性能和电磁性能使得它在化学领域也有着较为广泛的应用。对于分析化学而言，碳纳米管的应用主要体现在以下几个方面：

检测特定的气体。碳纳米管可以吸附一些气体，而且在吸附气体之后碳纳米管的导电性有了极大的变化。对于氨气、氧气和氮气等，碳纳米管吸收它们之后导电能力会产生两个数量级以上的变化。而且，不同气体对碳纳米管导电性能的影响也是不同的。因此，对于碳纳米管的这一性能，它可以帮助化学领域检测特定气体是否存在，只需要检测吸附前后碳纳米管导电性能的变化就可以。

对电极修饰。碳纳米管本身有着优良的导电性，再加上它独特的电子特性，可以将碳纳米管针对性的制成电极，提升原子表面的活性，更容易与其他物质发生电子交换。对于碳纳米管的这一特性，可以将它应用到化学分析领域和电催化的领域，对于一些特殊的物质进行反应催化。很多物质的反应用碳纳米管催化的效果极佳，可以使物质的转化率达到百分之百。例如，在催化过氧化氢和酶类等电化学实验中，碳纳米管的催化效果要优于其他的催化剂，这些都体现了碳纳米管做电极修饰的作用[3]。

应用于原子力显微镜的探针。碳纳米管有着极佳的力学性能，可以用作原子力显微镜针尖的材料，这是因为碳纳米管本身的直径较小，而且他的比径较大，相比于传统的硅材料探针，识别率更高，探测的深度也有所提升。再加上碳纳米管的弹性较好，受到外力时也不容易发生塑性变形，因此可以提升原子力显微镜的准确性。从具体的例子来看，目前已经有把碳纳米管应用到原子力显微镜中的例子，可以用于观测蛋白质五邻体的结构，还可以对单个的蛋白质分子进行成像分析，在红细胞的观察和DNA序列的分析中也有较大的作用，这些无不体现了碳纳米管在应用到原子力显微镜中的优势。

分离检测。在分析化学中经常要用到物质的分离与检测，传统的方式由于精度不够高，所以在检测和分离上做得不够精确，无法完全达到预期的目的。例如对于一些极性较强的小分子有机物与其他物质的分离，用石墨碳的效果较差，但是如果在碳纤维管的表面增加一些特定的物质就可以有效的分离小分子强极性的有机物质[4]。对于烷烃、醇、醚、酮和酯类物质等也是如此，利用碳纳米管制作的气相色谱填充柱能够有效的实现物质的检测与分离。

复合材料制备。碳纳米管的力学性能、导电性能、导热性能都极佳，而且碳纳米管能够和其他物质有效的结合，这些特性就使得碳纳米管在制作复合材料时有着无法替代的优势。例如在特殊的领域中按照相应的比例增加碳纳米管材料，能有效提升材料的防静电和抗磨损能力，应用在陶瓷制作中有利于减小陶瓷的重量，还能有效提升它的韧性，使陶瓷抗温度变化的能力更强。

上述的几点主要是针对碳纳米管的性能研究它在分析化学中的应用，除此之外碳纳米管在其他领域的应用前景也十分广阔，例如模具的制作。因为碳纳米管内部的中空结构，在制作模具时有着较好的性能。人们通常在碳纳米管内部填充氧化物把原本的碳层腐蚀掉，这就可以制作出纳米级别的高精度线材。在电学器件上也是如此，碳纳米管作为模具制造的器材精度更高，能够有效解决复杂电路带来的占用空间较大问题。

4 结语

碳纳米管在被人类发现之后，应用的范围逐步扩大。这与碳纳米管优良的性能有着直接的关系。目前人们仍在不断的深化碳纳米管相关的研究，希望能够更好的了解碳纳米管的性能。本文主要是针对分析化学研究碳纳米管的具体应用，分别从分离检测、复合材料制备、原子力显微镜探针、电极修饰和检测特定气体几个方面入手，碳纳米管在其他方面的应用还有待人们继续的开发。从当前的趋势来看，碳纳米管的应用还有着广阔的前景，随着技术的成熟，将更加有效地发挥出碳纳米管的作用。

[1] 蔡称心,陈静,包建春,等.碳纳米管在分析化学中的应用[J].分析化学,2004(3):381-387.

[2] 赵琨.碳纳米管在电分析化学中的应用研究[D].上海：华东师范大学,2007：152.

[3] 董博为.碳纳米管在分析和催化剂方面的应用[J].河南科技,2013(16):195-196.

[4] 苑利.液晶冠醚、碳纳米管、水溶性杯芳烃在分析化学中的应用[J].化学分析计量,2006(5):73-75.