美国科学家的一项最新研究，定量测定了单壁碳纳米管（SWCNT）的电学性质。他们发现，单壁碳纳米管中每32个碳原子就能够捕获并存储一个电子，而且很容易实现受控放电。这一发现有助于科学家按照需求设计出作为电容器的碳纳米管，并提高电子设备和太阳能电池的光电和电气化学性能。相关论文发表在美国化学学会的ACS Nano杂志上。
进行该项研究的是美国圣母大学（University of Notre Dame）的Anusorn Kongkanand和Prashant Kamat，他们监控了由二氧化钛半导体颗粒和单壁碳纳米管组成的复合系统，在达到电荷平衡的过程中电子的转移。
当二氧化钛纳米颗粒受到紫外光激发时，它的电子会发生分离，其中的一些由于受到限制而不能自由移动，每12纳米长的二氧化钛颗粒中大约有3770个电子是这种情况。这些受限制的电子会呈现出蓝色。然而，当研究人员将二氧化钛颗粒和单壁碳纳米管形成系统时，蓝色减弱了，这是由于一些封存于二氧化钛中的电子转移到了单壁碳纳米管。研究人员发现，当单壁碳纳米管的浓度达到100 mg/L时，蓝色彻底消失，这说明二氧化钛中的封存电子完全转移到了单壁碳纳米管。
计算表明，单壁碳纳米管中每32个碳原子就能够捕获并存储一个电子，整个过程在亿分之一秒内完成。如此之高的电子存储能力使碳纳米管变成一个“超级电容器”。
论文高级作者Kamat表示，“利用碳纳米管所占空间小的特点来提升电子的存储能力，对于电池的小型化至关重要。”Kamat强调，只有当半导体颗粒和碳纳米管二者的费米能达到平衡，电子转移才会停止，因此，32个碳原子捕获一个电子是受到系统能量限制的保守估计。这也就意味着如果改变半导体材料或者改变充电方法，单壁碳纳米管有可能存储更多的电子。同时，半导体的能量级别越高，转移的电子也会越多。
为了实现放电，研究人员在系统中加入可接收电子的硫堇（thionine），其还原电势（reduction potential）比碳纳米管更高，因此电子会从碳纳米管中流入硫堇。
研究人员表示，“单壁碳纳米管接收和转移电子的能力凸显了它在电子转移过程中的中介作用。单壁碳纳米管的充放电特性将在提升光电转化方面起到重要的作用。”
二氧化钛半导体颗粒和单壁碳纳米管之间会发生电子转移（图片来源：Anusorn Kongkanand）
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