中國(guó)粉體網(wǎng)訊  碳納米管，作為納米材料的代表之一，因其獨(dú)特的一維結(jié)構(gòu)具備了優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和反應(yīng)性能，使其在能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化、復(fù)合材料、多相催化、環(huán)境保護(hù)及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有大量的應(yīng)用潛力。碳納米管的宏量制備也是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一。

碳納米管的宏量制備涉及了從微觀到宏觀放大的工程問(wèn)題，因此在宏量制備中首先需要考慮的是如何放大的問(wèn)題，即宏觀操作對(duì)碳納米管結(jié)構(gòu)的影響，其次是過(guò)程中存在的熱質(zhì)轉(zhuǎn)換，工程中的流體力學(xué)以及產(chǎn)能結(jié)構(gòu)，最后則是作為一種商業(yè)化產(chǎn)出所需要兼顧的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。碳納米管宏量制備過(guò)程中還包含許多時(shí)間和空間等多尺度的科學(xué)問(wèn)題，還需要考慮原子尺度上的催化劑設(shè)計(jì)、碳源裂解以及碳原子組裝等。而且隨著碳納米管的生長(zhǎng)，碳納米管間以及碳納米管與載體間存在強(qiáng)相互作用，最終會(huì)呈現(xiàn)出不同的碳納米管聚集態(tài)。

為了解決碳納米管宏量制備的問(wèn)題，人們基于化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)發(fā)展出了多種商業(yè)化宏量制備方法，包括流化床、固定床、移動(dòng)床和輸送床。目前，已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)單壁碳納米管和多壁碳納米管在不同程度上的宏量制備。

多壁碳納米管的宏量制備

多壁碳納米管是指壁數(shù)大于2的管狀納米碳。目前，經(jīng)過(guò)多年研究，各大公司均采用了基于CVD法(chemical vapor deposition，化學(xué)氣相沉積法)批量制備多壁碳納米管的途徑，并初步形成了碳納米管宏量制備與應(yīng)用的重要產(chǎn)業(yè)。

CVD法設(shè)備較簡(jiǎn)單，產(chǎn)量較高，生產(chǎn)條件溫和，可以在一個(gè)較寬的溫度范圍(500~1200℃)內(nèi)操作。目前的研究表明，該方法是最有潛力可大批量生產(chǎn)高純度、低成本碳納米管的方法。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，多壁碳納米管的年產(chǎn)能為數(shù)千噸，目前較為成熟的工藝過(guò)程包括：日本昭和電工株式會(huì)社的浮游催化劑法，其可生產(chǎn)80~150nm的氣相生長(zhǎng)碳纖維，主要用于鋰離子電池負(fù)極材料；Hypersion、Arkema、三順中科新材料有限公司和深圳市納米港有限公司等固定床和移動(dòng)床碳納米管的制備工藝，可生產(chǎn)10~30nm的多壁碳納米管，用于高端導(dǎo)電塑料、鋰離子電池正極材料導(dǎo)電添加劑等；北京天奈科技有限公司和德國(guó)拜耳公司等流化床工藝，可生產(chǎn)8~20nm的碳納米管，用于鋰離子電池正極材料以及增強(qiáng)復(fù)合材料等；另外，Nanocyl等公司在導(dǎo)電復(fù)合材料、輪胎等領(lǐng)域進(jìn)行了相當(dāng)大的投入，并具備相應(yīng)的工業(yè)示范裝置。

單壁碳納米管的宏量制備

單壁碳納米管是由一層石墨烯卷曲形成的一維管狀納米材料。由于其巨大的比表面積及優(yōu)異的力學(xué)性能而廣泛應(yīng)用。

單壁碳納米管的產(chǎn)量比多壁碳納米管低得多。原因之一是單壁碳納米管層數(shù)較少，導(dǎo)致單根單壁碳納米管的質(zhì)量?jī)H為單根多壁碳納米管的數(shù)千分之一。對(duì)于相同密度和長(zhǎng)度的碳納米管，單壁碳納米管的產(chǎn)量總是相對(duì)低很多。同時(shí)，單壁碳納米管與多壁碳納米管相比更柔軟，當(dāng)其在多孔催化劑中生長(zhǎng)時(shí)，只有提供足夠的生長(zhǎng)空間，單壁碳納米管才能夠有效生長(zhǎng)。故采用模板法造孔、超臨界干燥、載體尺寸優(yōu)化、氣溶膠催化劑或噴霧干燥等方法獲得的多級(jí)結(jié)構(gòu)催化劑能夠有效地實(shí)現(xiàn)單壁碳納米管的高產(chǎn)量、高純度和高質(zhì)量生產(chǎn)。

在眾多單臂碳納米管生產(chǎn)工藝中，電弧放電和激光燒蝕法由于其超高的能量輸入可以得到高質(zhì)量、少缺陷的單壁碳納米管。但與多壁碳納米管的生產(chǎn)類似，這兩種方法受限于極高的設(shè)備要求和較低的單壁碳納米管產(chǎn)量(往往作為碳灰的副產(chǎn)品)。CVD法可以在相對(duì)較低的溫度下操作(稍高于多壁碳納米管制備)，因此有利于單壁碳納米管的大規(guī)模生產(chǎn)。

參考來(lái)源：

張樹(shù)辰.碳納米管可控制備的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)

張強(qiáng).碳納米管的宏量制備及產(chǎn)業(yè)化

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/墨玉）

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