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碳納米管中碳原子以sp2 雜化為主，同時六角型網格結構存在 程度的彎曲，形成空間拓撲結構，其中可形成 的sp3 雜化鍵，即形成的化學鍵同時具有sp2 和sp3 混合雜化狀態，而這些p 軌道彼此交疊在碳納米管石墨烯片層外形成高度離域化的大π 鍵，碳納米管外表面的大π 鍵是碳納米管與一些具有共軛性能的大分子以非共價鍵復合的化學基礎。


對多壁碳納米管的光電子能譜研究結果表明，不論單壁碳納米管還是多壁碳納米管，其表面都結合有 的官能基團，而且不同制備方法獲得的碳納米管由于制備方法各異，后處理過程不同而具有不同的表面結構。一般來講，單壁碳納米管具有較高的化學惰性，其表面要純凈一些，而多壁碳納米管表面要活潑得多，結合有大量的表面基團，如羧基等。以變角X 光電子能譜對碳納米管的表面檢測結果表明，單壁碳納米管表面具有化學惰性，化學結構比較簡單，而且隨著碳納米管管壁層數的增加，缺點和化學反應性增強，表面化學結構趨向復雜化。內層碳原子的化學結構比較單一，外層碳原子的化學組成比較復雜，而且外層碳原子上往往沉積有大量的無定形碳。由于具有物理結構和化學結構的不均勻性，碳納米管中大量的表面碳原子具有不同的表面微環境，因此也具有能量的不均一性。