碳纳米管

1. 基本结构与分类

• 结构：
  
  • 由碳原子通过sp²杂化形成的六边形蜂窝状结构卷曲而成的中空管状材料。
  • 管壁可为单层（单壁碳纳米管，SWCNT）或多层（多壁碳纳米管，MWCNT）。
• 尺寸：
  
  • 直径：单壁管约0.4~3纳米，多壁管可达数十纳米。
  • 长度：微米级至毫米级，长径比（长度/直径）高达10⁶，接近一维材料特性。
• 分类：
  
  • 按结构：扶手椅型（Armchair）、锯齿型（Zigzag）、螺旋型（Chiral）。
  • 按层数：单壁（SWCNT）、双壁（DWCNT）、多壁（MWCNT）。

• 力学性能：
  
  • 抗拉强度高达50~200 GPa（是钢的100倍），杨氏模量约1 TPa。
  • 兼具高强度和柔性，可承受大变形而不断裂。
• 电学性能：
  
  • 导电性优异，单壁管导电性可达铜的1000倍。
  • 导电性随手性变化：扶手椅型为金属性，锯齿型和螺旋型可为半导体或金属性。
• 热学性能：
  
  • 热导率约3000~6000 W/(m·K)，优于金刚石。
  • 轴向热导率高，径向热导率低，具有各向异性。
• 化学特性：
  
  • 表面惰性，但可通过化学修饰（如羧基化、接枝官能团）增强反应活性。
  • 高比表面积（单壁管可达1300 m²/g），吸附能力强。

• 电弧放电法：
  
  • 在惰性气体中通过碳电极电弧蒸发生成，产物含较多杂质，适合制备多壁管。
• 化学气相沉积（CVD）：
  
  • 主流工业化方法，碳源气体（如甲烷）在催化剂（Fe、Co、Ni）表面分解生长，可控制管径和取向。
• 激光烧蚀法：
  
  • 高能激光轰击石墨靶材，生成高质量单壁管，但成本高。
• 其他：火焰法、电解法等，仍在探索中。

• 能源存储与转换：
  
  • 电池：作为锂离子电池电极导电剂，提升倍率性能和循环寿命。
  • 超级电容器：高比表面积和导电性，用于电极材料增加储能密度。
  • 燃料电池：催化剂载体（如Pt/CNTs），增强催化活性。
• 复合材料：
  
  • 增强聚合物、金属或陶瓷的力学、电学和热学性能（如航空航天材料）。
• 电子器件：
  
  • 纳米级晶体管、柔性导电薄膜、透明电极（替代ITO）。
• 生物医学：
  
  • 药物载体、生物传感器、神经接口材料（需解决生物相容性问题）。
• 环境领域：
  
  • 吸附材料（去除重金属、有机污染物），海水淡化膜。

• 分散性：易团聚，需表面改性或分散剂辅助均匀分散。
• 纯度与一致性：制备中易混入无定形碳或金属催化剂，影响性能。
• 毒性争议：长径比高的纳米管可能引发类似石棉的生物毒性，需严格评估。
• 成本：高质量CNTs（尤其是单壁管）制备成本高，限制大规模应用。

• 可控合成：精准调控手性、直径和长度，实现半导体性或金属性定向制备。
• 功能化改性：通过掺杂（氮、硼）、包覆（聚合物、金属氧化物）赋予新特性。
• 宏量制备：开发高效、低成本的CVD工艺，推动工业化应用。
• 三维结构构建：设计CNTs气凝胶、泡沫等多孔材料，用于储能或催化。
• 安全性优化：表面修饰降低生物毒性，提升环境友好性。