單雙多壁碳奈米管

Jia Choi, PhD, Yong Zhang, Ph.D

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關於碳納米管

碳納米管 (CNT)，有時簡稱為納米管 ("nanotubes,".)；是日本物理學家飯島 Sumio 在研究石墨電極表面的電弧放電時偶然發現的圓柱狀碳同位素納米結構。¹ 自 CNT 被發現以來，由於其獨特的結構、機械和電子特性，CNT 在納米技術領域中一直扮演著重要的角色。^1-3

CNT具有高導電性和高縱橫比，有助於形成導電管網路。⁴ 與碳黑或碳纖維相比，CNT 在聚合物中以更低的重量百分比將其機械負載轉移到聚合物基體中，從而實現更高效的應用。CNT 還可作為熱介面材料用於熱保護。其有趣的電子和機械特性可應用於許多領域，例如場發射顯示器、⁵ 納米複合材料、⁶ 納米感測器、⁷ 和邏輯元件。⁸ CNT已被廣泛研究用於尖端電子製造，並延伸至醫藥領域以治療多種疾病。⁹

單壁碳納米管

單壁碳納米管 (SWNT) (Product No. 755710）是由一層石墨烯組成的無縫圓柱。它們具有獨特的電子特性，可隨著手性向量 C = (n, m)發生顯著變化，該參數表示石墨烯薄片如何捲成碳納米管。¹⁰

SWNTs電導率對 (n, m) 值的依賴性如 表 1所示。根據其捲繞方式，SWNTs 的帶隙可在 0 到 2 eV 之間變化，而電導率也可呈現金屬或半導體行為。

表一 單壁碳奈米管（SWNTs）的理論電子導率取決於石墨烯薄片的滾動取向（n，m）10。

(n, m)	Form of SWNTs	Electrical Conductivity
(n, 0)	人字形	當 n 是 3 的倍數時為金屬，否則為半導體
(n, n)<	扶手椅<	金屬
(n, m) 當 m≠0, 且 n<	手性	當 (2n+m)/3 為整數時為金屬，否則為半導體

如 表 2.¹¹

所示，碳奈米管的熱導率和電導率非常高，可與其他導電材料媲美。

表二 碳奈米管和其他導電材料的傳輸特性。

材料	熱傳導率 [W/(m-K)]	電導率 [S/m]
> 3,000	106 - 107
400	6 x 107
碳纖維--瀝青節距	1,000	2 - 8.5 x 106
8 - 105	6.5 - 14 x 106

多壁碳納米管

多壁碳納米管 (MWNTs) (Product Nos. 755133、 755117）由多層捲繞的石墨烯組成。與 SWNTs 相比，MWNTs 的結構複雜且多樣，因此尚未得到明確的定義。儘管如此，MWNTs 較 SWNTs 仍有許多優點，例如容易大量生產、單位產品成本低，以及熱穩定性和化學穩定性較佳。一般而言，由於在化學製程中 C=C 鍵斷裂所造成的結構缺陷，當 SWNT 功能化時，其電氣和機械特性會發生改變。

對 CNTs 進行表面改性可為碳奈米管帶來新的特性，以應用於需要有機溶劑或水溶劑、增強 CNTs 的功能性、分散性和相容性或降低其毒性的高度特定應用。¹²  常見的功能化 CNT，例如 MWNT-COOH（Product No. 755125），是透過使用各種酸、臭氧或等離子體進行氧化，產生其他氧官能基團（例如、-OH、-C=O）。含氧基團的存在可促進 CNT 束的脫落，並增強其在極性介質中的溶解性，以及與含酯化合物 (如聚酯) 的化學親和性。奈米管表面的 COOH 基團是進一步修飾的有用部位。透過建立酰胺鍵和酯鍵，可以接枝各種分子，例如合成聚合物和天然聚合物。¹³

雙壁碳奈米管

雙壁碳奈米管 (DWNT) (Product Nos. 755168、 755141）是單壁和多壁納米管的合成混合物，其特性介於這兩種類型之間。DWNT 由恰好相隔 0.35 - 0.40 nm 的兩根同心納米管組成，具有足夠的帶隙，可用於場效應電晶體。¹⁴ DWNT 的內壁和外壁具有各自的光學和拉曼散射特性。¹⁵ 理論上，如果每片壁的行為與 SWNT 相似，則根據其內壁和外壁的 (n, m) 值，DWNT 可根據電子類型（金屬或半導體）由四種組合組成，例如、金屬-金屬（內-外）、金屬-半導體、半導體-金屬以及半導體-半導體。有些實驗研究發現，即使兩壁都是半導體，DWNTs 的行為仍可能像金屬一樣。¹⁶ 其整體電氣行為的這種複雜性，限制了 DWNTs 在薄膜電子等應用上的效用。然而，DWNTs 也表現出從 MWNTs 觀察到的幾種有利特性，例如場發射的壽命和電流密度提高，以及在侵蝕性的化學、機械和熱處理下的高穩定性，以及從 SWNTs 觀察到的彈性。¹⁷ 外壁的選擇性官能化導致 DWNTs 被用作由原始碳奈米管核和化學官能化奈米管殼組成的核殼系統，可用作生物系統中的成像和治療劑。¹⁸ DWNTs可應用於氣體感測器¹⁹ 作為偵測氣體的敏感材料，例如H₂、NH₃、NO₂ 或 O_2、 電介質、²⁰ 以及技術要求較高的應用，例如場發射顯示器和光伏。²¹

我們提供高品質的 SWNTs、MWNTs 和 DWNTs，其中有些是目前最具有導電性的添加劑，可滿足您創新和先進材料研究的需求。這些奈米管子是透過催化化學氣相沉積 (CCVD) 技術製造而成，此工業製程因其可靠性與可擴充性而聞名，並經過純化或功能化處理，以提高性能，用於需要特殊化學特性（如高表面積、透明度或高場發射特性）的研究應用。 

碳奈米管可廣泛應用於新的和現有的應用領域：

• 導電塑料
• 結構複合材料
• 平板顯示器
• 氣體儲存
• 防污塗料
微納電子
• 雷達吸收塗層
• 高功能紡織品
• 超電容
• 原子力顯微鏡(AFM)尖端
• 壽命更長的電池
• 有害氣體生物傳感器
• 超強導電纖維
• 靶向藥物傳輸

可用的碳奈米管的詳細說明，請參閱 表 3。所提供的規格細節將幫助您選擇適合您應用的材料。

表三 奈米碳管的規格細節

Product No.	TEM圖片	說明
755710		單壁 ；獨立且成束的奈米碳管粉末 2 nm (直徑，以 HRTEM 量測) x 數 µm (長度，以 TEM / SEM 量測) 碳純度 ：70 %（以 TGA 計） 金屬氧化物雜質： 高比表面積 (> 1000 m2/g by BET)
755168	USB 3.0及PCI Express Gen 3.0 支持 - 技嘉7系列USB 2.0高速傳輸介面	雙壁 隔離與束狀碳奈米管粉末 3.5 nm（直徑，通過 HRTEM）x 1 - 10 µm（長度，通過 TEM / SEM） 碳純度：> 90 %（通過 TGA） 金屬氧化物雜質：< 10 %（通過 TGA） 比表面積：  >500  m2/g (by BET) 高過濾發射特性 高過濾發射特性 透明度
755141		短雙壁 隔離且成束的碳奈米管粉末 3.5 nm (diameter, by HRTEM) x 3 µm (length, by TEM / SEM) 碳純度：> 90 % (by TGA) 金屬氧化物雜質：< 10 % (by TGA) 表面化學特性 易分散性
755133		薄型多壁  (avg.7~9壁)碳奈米管。7~9 壁）碳納米管粉末 9.5 nm（直徑，通過 TEM）x 1.5 µm（長度，通過 TEM） 碳純度：< 95 %（通過 TGA） 金屬氧化物雜質：5 % (by TGA) 高純度水平
755125		薄型多壁 (avg.7~9壁） -COOH官能化 碳奈米管粉末 COOH 官能化：  > 8% 9.5 nm（直徑，通過 TEM）x 1.5 µm（長度，通過 TEM） 碳純度：> 95 %（通過 TGA） 金屬氧化物雜質：5 % (by TGA) 高純度
755117		短細多壁 (avg. 7~9壁)碳奈米管粉末 9.5 nm (diameter, by TEM) x < 1 µm (length, by TEM) 碳純度：> 95 % (by TGA) 金屬氧化物雜質：< 5 % (by TGA) 表面化學特性 易分散性

*TEM 圖片由 Nanocyl SA 授權轉載。

參考資料

1. Iijima S. 1991. Helical microtubules of graphitic carbon. Nature. 354(6348):56-58. https://doi.org/10.1038/354056a0

2. Peng X, Wong SS. 2009. Functional Covalent Chemistry of Carbon Nanotube Surfaces. Adv. Mater.. 21(6):625-642. https://doi.org/10.1002/adma.200801464

3. Bellucci S. 2005. Carbon nanotubes: physics and applications. phys. stat. sol. (c). 2(1):34-47. https://doi.org/10.1002/pssc.200460105

4. Chae HG, Kumar S. 2006. Rigid-rod polymeric fibers. J. Appl. Polym. Sci.. 100(1):791-802. https://doi.org/10.1002/app.22680

5. MEO M, ROSSI M. 2006. Prediction of Young?s modulus of single wall carbon nanotubes by molecular-mechanics based finite element modelling. Composites Science and Technology. 66(11-12):1597-1605. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2005.11.015

6. Liu Z, Jiao L, Yao Y, Xian X, Zhang J. 2010. Aligned, Ultralong Single-Walled Carbon Nanotubes: From Synthesis, Sorting, to Electronic Devices. Adv. Mater.. 22(21):2285-2310. https://doi.org/10.1002/adma.200904167

7. Allen B, Kichambare P, Star A. 2007. Carbon Nanotube Field-Effect-Transistor-Based Biosensors. Adv. Mater.. 19(11):1439-1451. https://doi.org/10.1002/adma.200602043

8. Sharma P, Ahuja P. 2008. Recent advances in carbon nanotube-based electronics. Materials Research Bulletin. 43(10):2517-2526. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2007.10.012

9. Prajapati V, Sharma P, Banik A. 2011. Carbon nanotubes and its applications. Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 21099-1107.

10. Ogata S, Shibutani Y. Ideal tensile strength and band gap of single-walled carbon nanotubes. Phys. Rev. B. 68(16): https://doi.org/10.1103/physrevb.68.165409

11. Wu H, Chang X, Liu L, Zhao F, Zhao Y. Chemistry of carbon nanotubes in biomedical applications. J. Mater. Chem.. 20(6):1036-1052. https://doi.org/10.1039/b911099m

12. Sitko R, Zawisza B, Malicka E. 2012. Modification of carbon nanotubes for preconcentration, separation and determination of trace-metal ions. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 3722-31. https://doi.org/10.1016/j.trac.2012.03.016

13. Liu K, Wang W, Xu Z, Bai X, Wang E, Yao Y, Zhang J, Liu Z. 2009. Chirality-Dependent Transport Properties of Double-Walled Nanotubes Measured in Situ on Their Field-Effect Transistors. J. Am. Chem. Soc.. 131(1):62-63. https://doi.org/10.1021/ja808593v

14. Piao Y, Chen C, Green AA, Kwon H, Hersam MC, Lee CS, Schatz GC, Wang Y. 2011. Optical and Electrical Properties of Inner Tubes in Outer Wall-Selectively Functionalized Double-Wall Carbon Nanotubes. J. Phys. Chem. Lett.. 2(13):1577-1582. https://doi.org/10.1021/jz200687u

15. Tison Y, Giusca C, Stolojan V, Hayashi Y, Silva S. 2008. The Inner Shell Influence on the Electronic Structure of Double-Walled Carbon Nanotubes. Adv. Mater.. 20(1):189-194. https://doi.org/10.1002/adma.200700399

16. Green AA, Hersam MC. 2011. Properties and Application of Double-Walled Carbon Nanotubes Sorted by Outer-Wall Electronic Type. ACS Nano. 5(2):1459-1467. https://doi.org/10.1021/nn103263b

17. Brozena AH, Moskowitz J, Shao B, Deng S, Liao H, Gaskell KJ, Wang Y. 2010. Outer Wall Selectively Oxidized, Water-Soluble Double-Walled Carbon Nanotubes. J. Am. Chem. Soc.. 132(11):3932-3938. https://doi.org/10.1021/ja910626u

18. SAYAGO I, SANTOS H, HORRILLO M, ALEIXANDRE M, FERNANDEZ M, TERRADO E, TACCHINI I, AROZ R, MASER W, BENITO A. 2008. Carbon nanotube networks as gas sensors for NO2 detection. Talanta. 77(2):758-764. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2008.07.025

19. Moura LG, Fantini C, Righi A, Zhao C, Shinohara H, Pimenta MA. Dielectric screening in polyynes encapsulated inside double-wall carbon nanotubes. Phys. Rev. B. 83(24): https://doi.org/10.1103/physrevb.83.245427

20. Dillon AC. 2010. Carbon Nanotubes for Photoconversion and Electrical Energy Storage. Chem. Rev.. 110(11):6856-6872. https://doi.org/10.1021/cr9003314