碳纳米管可控制备的过去、现在和未来

发布时间：2025-05-11 00:46

　　 碳纳米管独特的几何和电子结构使其具有丰富优异的性质,因此在过去的二十余年备受研究者的关注。然而,碳纳米管结构的多样性成为其从实验室走到产业化的最大阻碍,结构决定性质,制备决定未来,完善的结构控制制备技术将成为碳纳米管基础研究和产业化应用中至关重要的一环。本文首先对碳纳米管的结构进行描述,然后综述了碳纳米管的结构可控制备方法和溶液纯化分离技术,提出未来理想的碳纳米管制备之路是将碳纳米管精细结构控制方法与宏量制备技术相结合,在降低碳纳米管生产成本的同时,提高其纯度,并建立碳纳米管产品的标准。最后,展望了碳纳米管的杀手锏级应用和该领域的机遇和挑战。

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【部分图文】：

图5 溶液法分离碳纳米管的主要进展。(a)溶液法分离碳纳米管的一般流程以及(b)商业化高纯度碳纳米管溶液；(c)和(d)分别为不同分离方法和不同分子对碳纳米管分离的效果等的比较；(e)溶液法分离碳纳米管的基本原理与分离方法；(f)溶液分离碳纳米管中使用的分子的设计策略

除了建立不同的分离方法，碳纳米管液相分离还可以采用不同的分子分离体系，包括表面活性剂63、生物分子64以及共轭聚合物分子65等。图5d同样比较了使用不同分子体系进行分离的纯度、种类、耗时、成本以及获得的碳纳米管性能等方面的差异，可以发现，表面活性剂分子体系由于开发较早，因此使用的....

图4 碳纳米管克隆生长的种子来源，表面直接生长的碳纳米管61以及溶液法纯化和分离后得到的碳纳米管62

此外，按照晶体生长理论，碳纳米管最佳的“外延”模板就是自身，因此人们发展了碳纳米管“克隆”技术以期实现碳纳米管单一手性的控制生长(图4)。Zhang等61和Zhou等62分别利用直接生长和溶液分离的碳纳米管作为模板，证实了碳纳米管“克隆”生长的可能性。该方法目前最大的弊端在于生长....

图1 碳纳米管精细结构分类(a)以及以碳纳米管为基本单元构建的宏观聚集体(b)

更重要的是，卷曲矢量方向影响了碳纳米管的手性和旋光性质。按照矢量方向的不同，碳纳米管可以分为扶手椅型(armchair)、锯齿型(zigzag)和手性碳纳米管，手性碳纳米管又可分为左旋和右旋碳纳米管34。手性结构的不同可以体现为碳纳米管在光学性质上的差异，不同手性的碳纳米管具有不....

图2 碳纳米管制备技术以及产量分布。(a)电弧放电；(b)激光烧蚀；(c)化学气相沉积；(d)不同方法获得的碳纳米管的产量分布(从国内外8家公司以及实验室制备情况进行数据收集分析得到)

目前，碳纳米管的制备方法主要有三种，电弧放电(图2a)1,43、激光烧蚀(图2b)44和化学气相沉积(图2c)45–47，其中，在电弧放电法中，由于电弧产生的温度很高，因此碳原子的晶化程度最高，获得碳纳米管的纯度也最高，结构最完美。类似地，激光烧蚀也提高了一个相当高的温度，因此得....

本文编号：4044582