背景及概述[1][2]
碳納米管（CNTs）是在1991年1月由日本筑波NEC實驗室的物理學家飯島澄男使用高分辨透射電子顯微鏡從電弧法生產的碳纖維中發(fā)現(xiàn)的。它是一種管狀的碳分子，管上每個碳原子采取sp2雜化，相互之間以碳-碳σ鍵結合起來，形成由六邊形組成的蜂窩狀結構作為碳納米管的骨架。每個碳原子上未參與雜化的一對p電子相互之間形成跨越整個碳納米管的共軛π電子云。按照管子的層數(shù)不同，分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。管子的半徑方向非常細，只有納米尺度，幾萬根碳納米管并起來也只有一根頭發(fā)絲寬，碳納米管的名稱也因此而來。而在軸向則可長達數(shù)十到數(shù)百微米。下圖為碳納米管的結構示意圖。
合成方法[3][4][5][6]
合成方法1：電弧法
傳統(tǒng)的電弧法是在充有一定壓力惰性氣體的反應室內，在一根純石墨電極作為陰極，填充催化劑的石墨電極為陽極，通過高頻或接觸引起電弧產生高溫，蒸發(fā)石墨陽極，碳原子在催化劑的作用下進行結構重排沉積，可以制得單壁納米碳管。1993年日本學者Iijima就是用這種方法首次獲得了單壁碳納米管，但其含量很低。陳永勝等改進了電弧法，稱取1.16克碳纖維，18.68克石墨粘合劑，3.23克鎳粉，1.48克氧化釔粉，用混合器攪拌均勻，然后在磨具中壓制成電極（12x300m），在1100℃焙燒24小時制成消耗電極。用該消耗電極做陽極，石墨電極做陰極，陽極與陰極軸向相對，陽極與陰極的極間距離保持在3-5mm之間，在6.8-7.3×104Pa的氬氣保護下、電流100-150安培，電壓15-25伏的范圍內進行電弧放電，反應時間為2小時，反應完成后，在反應器內的兩極周圍及反應器內壁可收集網(wǎng)狀或紙狀單壁碳納米管產物4克。
合成方法2：化學氣相沉積法
化學氣相沉積法是通過含碳氣體在催化劑的催化作用下裂解得到碳納米管，產率較高。如用Ni/RE/Cu催化劑化學氣相沉積制備碳納米管，首先制備將六水硝酸鎳、六水硝酸釔或六水硝酸鈰和浸泡后的銅粉按質量比加入到去離子水中得到硝酸鎳溶液，向該溶液中加入氫氧化鈉溶液至中和反應，得到Ni（OH）2/Y（OH）3/Cu或Ni（OH）2/Ce（OH）3Cu三元膠體。三元膠體經(jīng)洗滌、過濾、干燥、研磨、煅燒，得到Ni/Y/Cu或Ni/Ce/Cu催化劑前驅體。將前驅體置于石英反應管中,通入氫氣還原后再通入混合反應氣進行催化裂解反應，得到碳納米管與催化劑的混合粉末，然后經(jīng)濃硝酸處理得到純的納米碳管。這種方法制備的碳納米管質量好，純度高，管徑分布均勻，管壁潔凈，特別適用于制備碳納米管增強金屬復合材料。
3.催化熱分解法
催化熱分解法一般使用含碳有機物作碳源，反應過程分為400-600℃和700-1000℃兩個階段。400-600℃時，固態(tài)材料中的橋鍵斷裂生成自由基，脂肪側鏈和含氧官能團裂解生成氣態(tài)烴，芳香結構脫氫縮聚為大分子片層，這些自由基碎片、氣態(tài)烴和芳香族大分子等物質，成為碳納米管生長的碳源；700-1000℃時，階段生成的含碳分子首先分解為氣態(tài)的碳原子，然后碳原子在熔融的催化劑表面溶解，并擴散到內部，當催化劑內部達到飽和時，碳原子從催化劑的頂部析出，并自組裝為卷曲的石墨網(wǎng)狀的片層結構，逐層生長，直到催化劑顆粒失活，碳納米管停止生長。如以煤等固態(tài)碳材料為母料，配以一定比例的溶劑水和催化劑，攪拌浸漬后抽濾、烘干，然后置于密閉容器中以一定升溫程序進行髙溫熱解反應，反應結束后對固態(tài)產物進行洗滌和超聲震蕩，制得碳納米管。催化熱分解法的工藝流程圖如下。
4.水熱法
將1克蔗糖溶解在事先配置好的19克6mol/L的H2SO4的溶液中，在室溫下充分攪拌形成5%的蔗糖酸性溶液后，轉移到水熱反應釜中，于180℃下水熱反應12小時，然后自然冷卻至室溫，離心分離和去離子水反復洗滌后干燥即可得到管徑40-50nm的碳納米管，長1~2μm。
應用領域[7][8][9]
1.碳納米管復合材料
碳納米管具有優(yōu)良的電學和力學性能，是復合材料的理想添加相。向絕緣中添加碳納米管，能使絕緣聚合物獲得優(yōu)良的導電性能。根據(jù)基體聚合物的不同，通常3%~5%加載量即可獲得消除靜電堆積的效果。實驗表明，2%碳納米管的添加量可達到添加15%碳粉及添加8%不銹鋼絲的導電效果。由于低的加入量及納米級的尺寸，聚合物在取得良好的導電性能時不會降低聚合物機械及其他性能，并適合于薄壁塑料件的注塑成型。這種導電聚合物（塑料）已用于汽車燃料輸送系統(tǒng)、燃料過濾器、半導體芯片和計算機讀寫頭等要求防靜電器件的內包裝、汽車導電塑料霽部件的制造等領域，并已取得很好的效果。特別是在汽車導電塑料霽部件的制造方面，比傳統(tǒng)制造工藝有明顯的優(yōu)勢。在簡化工藝流程、產品表面光潔度、彩色油漆靜電噴涂等方面都達到了理想的效果，是靜電噴涂技術的發(fā)展方向。
2.電化學器件
碳納米管是電化學領域所需的理想材料，是制造電化學雙層電容器（超級電容器）電極的理想材料。碳納米管電容器電容量巨大，和普通介電電容器相比，電容器電容量從微法拉級上升到法拉級。碳納米管電容量可到每克15-200F。目前數(shù)千法拉的電容器已被生產。單壁碳納電容量比多壁碳納米管單位電容量更高，單壁碳納米管電容量一般為180F/g，多壁碳納米管電容量般為102F/g。單壁碳納米管電容器功率密度可達20kW/kg，能量密度可達7Wh/kg。除此之外，鋰離子電池也是碳納米管應用研究領域之一。碳納米管鋰離子電池容量大，放電速度快，充放電容量達到1000mA·h/g，大大高于石墨（372mA·h/g）和球磨石墨粉（708mA·h/g）。 下圖為實驗室設計的碳納米管薄膜簡潔超級電容器。
3.催化劑載體
碳納米管由于尺寸小，比表面積大，表面的鍵態(tài)和顆粒內部不同，表面原子配位不全等導致表面的活性位蛋增加，是理想的催化劑載體材料。碳納米管作為催化劑載體材料的研究主要集中在活性組分負載于碳納米管的方法、碳納米管的電學性能對催化的影響、碳納米管獨特的管腔結構對催化的影響、碳納米管的儲氫性能對催化的影響等方面。
主要參考資料
[1] 碳納米管，維基百科
[2] 姜靖雯, 彭峰. 碳納米管應用研究現(xiàn)狀與進展[J]. 材料科學與工程學報, 2003, 21(3): 464-468.
[3] 陳永勝，呂歆，杜峰，單壁碳納米管的電弧合成方法，CN 200410019624，申請日2004-06-15
[4] 趙乃勤，康建立，師春生，以Ni/RE/Cu催化劑化學氣相沉積制備碳納米管的方法，CN 200610014782，申請日2006-07-17
[5] 李國強，翟玲玲，張永發(fā)，催化熱街固態(tài)碳材料制碳納米管的方法，CN 201610372888，申請日2016-10-12
[6] 秦雪，單忠強，原淵，一種水熱法制備碳納米管或棒的方法，CN 200810052609，申請日2008-04-03
[7] 孫曉剛. 碳納米管應用研究進展[D]. , 2004.
[8] 朱長純, 袁壽財, 李玉魁. 碳納米管及其應用[J]. 微納電子技術, 2002, 39(8): 1-6.
[9] 劉治, 陳曉紅, 宋懷河. 碳納米管及其研究進展[J]. 化工新型材料, 2002, 30(4): 1-4.