中國(guó)粉體網(wǎng)訊 自Iijima教授在20世紀(jì)末期從透射電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)以來，單壁碳納米管（SWNTs）便成為一種熱點(diǎn)居高不下的明星材料，人們都希望通過它來開創(chuàng)21世紀(jì)電子器件的新時(shí)代。
單壁碳納米管的性能及應(yīng)用
眾所周知，碳納米管（CNT）和石墨烯擁有超高的相似程度，如果我們將單層石墨烯進(jìn)行一定角度的彎曲，從示意圖上就可以看成是SWNTs。SWNTs擁有極小的直徑，范圍在0.6-2nm之間，最小的直徑可達(dá)到0.4nm左右。
單層石墨烯卷曲成CNT的解析圖
碳納米管具有可以自由進(jìn)入細(xì)胞的極小尺寸，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，使其具備了超強(qiáng)的力學(xué)性能、極高的載流子遷移率、可調(diào)節(jié)的帶隙、優(yōu)異的熱學(xué)性能、光電特性、穩(wěn)定的化學(xué)特性等。碳納米管結(jié)構(gòu)上的微小差異，會(huì)導(dǎo)致性質(zhì)上的巨大不同，由于單壁碳納米管家族龐大，不同手性結(jié)構(gòu)的單壁碳納米管能帶結(jié)構(gòu)各異，為各種應(yīng)用提供了多種選擇。碳納米管集各種優(yōu)異性質(zhì)于一身，使其在工程材料、電子器件、儲(chǔ)能領(lǐng)域、光探測(cè)器、生物醫(yī)藥等方面具備了廣闊前景，在以上應(yīng)用領(lǐng)域具有很大優(yōu)勢(shì)。
半導(dǎo)體性碳納米管是直接帶隙半導(dǎo)體材料，由于其一維的限域效應(yīng)，具有分裂的子能帶，在光照條件下的光致發(fā)光現(xiàn)象使之可以用于生物成像。同時(shí)，碳納米管具有極小的尺寸，可以自由進(jìn)出細(xì)胞，對(duì)其表面進(jìn)行修飾后，也可攜帶藥物實(shí)現(xiàn)納米藥物治療。
力學(xué)性質(zhì)方面，碳納米管的楊氏模量十分出眾，理論模擬顯示單壁碳納米管楊氏模量基本可達(dá)到1TPa。這種媲美金剛石的力學(xué)性能主要?dú)w結(jié)于碳原子間極強(qiáng)的C-C鍵。盡管其剪切模量稍低，但通過交聯(lián)可以克服這一問題。甚至，碳納米管可以紡織成強(qiáng)度堪比凱夫拉纖維的高強(qiáng)度纖維，同時(shí)還能保持很高的柔韌性。
熱學(xué)性質(zhì)上，單根碳納米管具有極高的熱導(dǎo)率，其室溫下的理論值高達(dá)6000 W/mK。盡管不同方式制備的碳納米管宏觀體導(dǎo)熱性質(zhì)存在較大差異，但碳納米管的理論熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于此前已知的熱導(dǎo)性能最好的材料（金剛石熱導(dǎo)率約3300 W/mK）。因此，碳納米管宏觀體作為熱電材料的前景也很廣闊。
單壁碳納米管中電子遵循彈道輸運(yùn)而避免了聲子散射，使之具有很好的載流子遷移率和柵控特性，室溫下碳納米管的載流子遷移率高達(dá)106cm2/Vs，開關(guān)比高達(dá)106。此外，相對(duì)于傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體材料，半導(dǎo)體碳納米管是直接帶隙半導(dǎo)體，無需化學(xué)摻雜便能制備高性能的n型和p型晶體管，適于制備高速、低功耗的全碳電子器件。未來制備的三維全碳芯片或?qū)⒂型〈杌酒?br/>
碳納米管在儲(chǔ)能器件方面也具有廣闊的應(yīng)用前景。在鋰離子電池方面，可作為導(dǎo)電劑，大幅提高首次放電容量。同時(shí)，其可逆容量高達(dá)700mAh/g，遠(yuǎn)高于石墨。碳納米管作為鋰電池陽(yáng)極時(shí)的可逆鋰離子儲(chǔ)存能力是石墨陽(yáng)極的4倍以上。利用碳納米管二維宏觀體制備的超級(jí)電容器同樣性能優(yōu)異，具有高能量密度和高循環(huán)穩(wěn)定性，循環(huán)13000次以上，性能衰減僅2%左右。
碳納米管優(yōu)異的光電特性，使其在高性能太陽(yáng)能電池中應(yīng)用前景廣闊。碳納米管是直接帶隙半導(dǎo)體材料，具有極高的載流子輸運(yùn)效率，對(duì)于提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率具有重要意義。
SWNTs的性能及其主要應(yīng)用
（圖源：蘇言杰：高質(zhì)量單壁碳納米管的生長(zhǎng)調(diào)控與特性研究）
單壁碳納米管產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀
2020年，全球著名單壁碳納米管制造商OCSiAl宣布，經(jīng)過2019年的試產(chǎn)，年產(chǎn)能50噸的單壁碳納米管合成設(shè)備Graphetron 50正式落成投產(chǎn)。隨著Graphetron 50設(shè)備的正式投產(chǎn)，OCSiAl的單壁碳納米管兩條生產(chǎn)線年總產(chǎn)能達(dá)到75噸。OCSiAl宣稱其單壁碳納米管產(chǎn)能在全球所占份額已超過90%。
2021年6月，曲靖飛墨科技有限公司年產(chǎn)50噸單壁碳納米管項(xiàng)目正式開工建設(shè)。
2022年，天奈科技曾發(fā)布公告稱，擬投資建設(shè)年產(chǎn)450噸單壁碳納米管項(xiàng)目，總投資約12億元，項(xiàng)目計(jì)劃分三期建設(shè)，每期建設(shè)年產(chǎn)150噸單壁碳納米管，合計(jì)年產(chǎn)450噸單壁碳納米管。
2022年底，天奈科技研發(fā)高級(jí)總監(jiān)寧國(guó)慶在接受媒體采訪時(shí)指出，單壁碳納米管屬于碳納米管生產(chǎn)領(lǐng)域的一顆皇冠，不過現(xiàn)在已經(jīng)處于量產(chǎn)的前夕，應(yīng)該很快就會(huì)有單壁碳納米管量產(chǎn)產(chǎn)品出來。
2023年2月27日，四川自貢市與無錫東恒新能源科技有限公司舉行單壁碳納米管項(xiàng)目簽約儀式。該項(xiàng)目計(jì)劃總投資10億元，新建年產(chǎn)300噸單壁碳納米管生產(chǎn)線。據(jù)媒體報(bào)道，項(xiàng)目建成滿產(chǎn)后，將成為國(guó)內(nèi)最大的單壁碳納米管生產(chǎn)基地。
2023年4月，證券時(shí)報(bào)發(fā)文稱，由于單壁碳納米管的工業(yè)化時(shí)間短，目前全球單壁碳納米管產(chǎn)能不足百噸。雖然國(guó)內(nèi)報(bào)道的擬建、在建項(xiàng)目的單壁碳納米管年產(chǎn)能已超過800萬噸，但是基本上都處于產(chǎn)能未釋放的狀態(tài)。目前全球單壁碳納米管量產(chǎn)依然是OCSiAl一家獨(dú)大。
單壁碳納米管面臨的難題
過去的三十多年里，盡管在SWNTs大量制備及其生長(zhǎng)調(diào)控方面已經(jīng)取得了許多重大進(jìn)展，但至今仍有許多科學(xué)問題沒有得到很好的解決，比如SWNTs的生長(zhǎng)機(jī)理、可控性制備、高效-低成本制備技術(shù)等等。無論是從研究SWNTs基本性質(zhì)還是將SWNTs應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)來看，當(dāng)前的SWNTs研究都要面臨以下兩方面的難題。
第一，開發(fā)出高效、低成本、大規(guī)模的SWNTs制備技術(shù)。盡管當(dāng)前SWNTs工業(yè)化生產(chǎn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)多年，但其生產(chǎn)成本居高不下。其根本原因在于，一方面催化劑催化效率不高，導(dǎo)致SWNTs樣品含有大量雜質(zhì)需經(jīng)過后續(xù)提純方可使用；另一方面，對(duì)SWNTs制備過程中的工藝參數(shù)還有待進(jìn)一步優(yōu)化，尤其是利用電弧放電法制備SWNTs時(shí)，如何進(jìn)一步提高SWNTs制備效率和產(chǎn)率仍然是SWNTs制備領(lǐng)域的一項(xiàng)重要課題。
第二，實(shí)現(xiàn)對(duì)SWNTs手性和直徑的精確調(diào)控。大部分樣品是由多種具有不同直徑和手性的SWNTs組成的，它們之間相互纏繞，難以分離，由此導(dǎo)致SWNTs基器件的性能隨制作批次不同而出現(xiàn)較大的波動(dòng)，從而阻礙了其在微納器件上的大規(guī)模應(yīng)用。另外，從SWNTs電學(xué)性能上看，金屬性與半導(dǎo)體性SWNTs共存大大降低了SWNTs基納電子器件的電學(xué)性能。
小結(jié)
單壁碳納米管自從被發(fā)現(xiàn)以來，其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能和物理化學(xué)性能以及在科研和工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域潛在的應(yīng)用價(jià)值，使得人們對(duì)碳納米管的研究顯示出極大的熱情。雖然單壁碳納米管的制備技術(shù)已經(jīng)有了很大的改進(jìn)，但是成品的碳納米管仍是各種直徑、各種手性、金屬性和半導(dǎo)體性的碳納米管混合物。而且單壁碳納米管間的范德華力，使其容易聚集成束或纏繞在一起，這些都嚴(yán)重制約了碳納米管的應(yīng)用。因此研究單壁碳納米管的分散、分離就顯得尤為重要。
參考來源：
蘇言杰：高質(zhì)量單壁碳納米管的生長(zhǎng)調(diào)控與特性研究，上海交通大學(xué)
楊德華：?jiǎn)伪谔技{米管手性結(jié)構(gòu)的高分辨宏量分離制備研究，中國(guó)科學(xué)院物理研究所
史運(yùn)華：?jiǎn)伪谔技{米管的分散與分離方法研究，北京化工大學(xué)
證券時(shí)報(bào)、電池中國(guó)、封面新聞、中國(guó)粉體網(wǎng)。
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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