碳纳米管开发和应用□徐炽焕    自1991年日本NEC公司的饭岛澄男（Iijimes S.）首先发现碳
    自1991年日本NEC公司的饭岛澄男（Iijimes S.）首先发现碳纳米管以来，它就以惊人的电学、力学、磁学性能及其在电器、电子、能源、化工、机械等领域的潜在应用，引起了世界各国材料界的关注。近年来碳纳米管的研究与开发进展很快，在研制和应用方面取得了突破性进展。    一、分类与生产方法
    一、分类与生产方法    碳纳米管大致可分为多层和单层2类。多层碳纳米管是由数十层
    碳纳米管大致可分为多层和单层2类。多层碳纳米管是由数十层圆柱形石墨层构成，外径为10～50nm，内径为3～10nm，长度10μｍ以下。单层碳纳米管为外径0.4～5nm的实心管，长度为10μｍ以下。碳纳米管的合成方法主要有化学气相沉积法（CVD法）、电孤放电法、激光-烧蚀法（Laser-Ablation）等，其中CVD法更适合工业化大量制备。    CVD和电孤放电法相比各有特点：①电孤放电法可同时制备单层
    CVD和电孤放电法相比各有特点：①电孤放电法可同时制备单层和多层碳纳米管，但纯度不高，管壁经常有无定形碳素沉出，难以分离纯化，不适合批量生产；②CVD法可以通过催化剂种类与粒度选择及工艺条件的控制，获得纯度较高、尺寸分布较均匀的碳纳米管，适于大批量生产。但是总体来说，该法获得的碳纳米管存在较多的结晶缺陷，常发生弯曲或变形，石墨化程度较低。    二、开发现状
    二、开发现状    当前碳纳米管研发的最大课题是降低生产成本进行大量生产，进
    当前碳纳米管研发的最大课题是降低生产成本进行大量生产，进一步开拓应用领域。在日本，已有多家企业采用CVD法进行中试规模生产。早在1998年，在前通商产业省（现为经济产业省）的产业科学技术研究开发项目《炭素高功能材料技术》项目（简称FCT）推动下，昭和电子公司就进行了大量的合成碳纳米管的技术研发工作。他们用烃类化合物和催化剂在1000℃以上进行合成试验研究。1999年3月开始设计1套连续式反应中试试验装置，1999年底试生产出平均直径为30nm的多层碳纳米管，每小时可生产200g。直到2000年5月配套用的后处理工程建成，才告结束。同时，日机装公司也用CVD法在静冈县建成1套500g/h的多层碳纳米管中试装置。2002年4月，三井物产子公司用CVD法在昭岛市建成120t/a规模的中试工厂，9月开工运转。这是日本国内主要的3家企业。2001年另有日本公司在美国俄亥俄州建成几十吨规模中试装置。同时本庄化学公司用电孤放电法在大阪府寝屋川市建成360kg/a的中试装置。生产的中试产品供给日本国内的同时也向海外销售。    美国麻省Hyperion Catalysis Inter公司采用CVD法生产多层
    美国麻省Hyperion Catalysis Inter公司采用CVD法生产多层碳纳米管，中试规模为200t/a。拉依斯大学的集团公司以CO为原料，采用CVD法在美国德克萨斯州建成100kg/a的单层碳纳米管装置。总体看来，目前碳纳米管的研发尚处于中试阶段，其中大部分采用CVD合成方法，仅1家采用电孤放电法。    三、应用领域
    三、应用领域    1.化工方面
    1.化工方面    碳纳米管除了在电子、电器行业将有崭新的应用局面出现以外，
    碳纳米管除了在电子、电器行业将有崭新的应用局面出现以外，在化工中应用也非常引人注目。由于碳纳米管具有良好的嵌锂稳定性和嵌锂的容量，作为锂离子电池的电极材料，能使电池寿命延长，充放电性能好。碳纳米管有优良的储氢能力，有望成为氢燃料电池中的负极材料，这将为开发燃料电池汽车奠定基础。另外碳纳米管作为分子水平催化剂的载体，可以满足人们对优良催化剂的需求。如用于铑或钴镍催化剂的载体材料，与常规载体材料制成的催化剂相比，催化活性和选择性有明显提高。    2.功能性填料
    2.功能性填料    最初在塑料（如热塑性塑料）中添加颗粒状、片状、纤维状的无
    最初在塑料（如热塑性塑料）中添加颗粒状、片状、纤维状的无机或有机填料，大多是为了提高复合材料的机械性能或热性能，主要是增强作用，同时也降低树脂用量和复合材料的生产成本。但是近10年来为了满足塑料市场的需求，需要研发各种功能性复合材料，包括导电性、抗静电性、电磁波屏蔽性、抗震性、隔音性、热传导性、压电性、阻燃性、耐磨耗性以及紫外光吸收性、光催化性等功能性复合材料，相应地需要研发功能性填料。这使得填料技术向填料的微粒化、精细化方面发展。特别是纳米技术的兴起与填料技术发展需要相结合，在碳系列填料家族中产生出新成员——碳纳米管，它在复合材料中应用，将在复合（树脂）材料领域中开辟新天地。    ①导电性填料
    ①导电性填料    碳纳米管作为导电性填料用于制造导电性的复合材料时，主要用
    碳纳米管作为导电性填料用于制造导电性的复合材料时，主要用作防静电或电磁波屏蔽等方面。碳纳米管的用量仅为传统炭黑用量的10%以下。日本三菱化学已研究出防止碳纳米管在树脂基体中发生凝集现象而形成分散状态的控制技术,其用于电子仪器的装置中防止静电功能的复合材料已走在世界前列。导电性填料在防静电应用有3点要求：表面电阻率范围在103～1012Ω；复合材料外壳表面要保持致密光滑；不能有微细颗粒脱落现象发生，有机污染物不会沾污表面。这3点要求用传统的碳系填料（炭黑、碳纤维等）都不能做到。    ②吸音、抗震填料
    ②吸音、抗震填料    碳纳米管填料代替云母用于吸收噪音、抗震的复合材料中，经用
    碳纳米管填料代替云母用于吸收噪音、抗震的复合材料中，经用实测的垂直入射吸音率数据比较，采用碳纳米管填料的复合材料的吸音、防震的效果要好得多。    ③合成其他功能性复合材料
    ③合成其他功能性复合材料    日本长崎大学与岐阜大学共同合作研究出螺旋管状碳纤维填料，
    日本长崎大学与岐阜大学共同合作研究出螺旋管状碳纤维填料，此种螺旋有左旋与右旋有规则形状之外，还有一种是不规则的螺旋管状碳纤维。同样的化学组成填料，由于形状的不同，效果也不相同。如何精确控制功能性填料的形状（大小）已是当前功能性填料研究的一个重要课题。    最近科研人员发现，在外加电场或磁场的作用下合成碳纳米管复
    最近科研人员发现，在外加电场或磁场的作用下合成碳纳米管复合材料时，可使无序的分散状态变成有序的定向（轴向）排列，这使复合材料在导电性、传热性和弹性等方面将成为方向性材料。    另外碳纳米管具有特殊的机械性能，它的强度大概是钢的100
    另外碳纳米管具有特殊的机械性能，它的强度大概是钢的100倍。将纳米管作为金属表面的复合材料的镀层，将具有超强的耐磨性和自润滑性，其耐磨性比轴承钢高100倍，摩擦系数为0.06～0.1，且还具有高热稳定性和高耐腐蚀性等。碳纳米管还具有优异的磁性能，它将成为目前采用的铁氧体的竞争对手。特别在高频场中具有的巨磁阻抗效应，将在电器领域中得到应用。    3.碳纳米喇叭
    3.碳纳米喇叭    据报道，1999年以来新出现一种碳纳米管的同伴——碳纳米喇
    据报道，1999年以来新出现一种碳纳米管的同伴——碳纳米喇叭（nano horn），它主要用于燃料电池的电极材料，具有合适的电传导系数和比表面积，将大大提高燃料电池的输出功率。另外碳纳米技术已拓展在生物领域中应用，例如这种纳米喇叭也可用于生物领域中作为给药的输送系统，预计不久的将来有更大的发展。    四、发展方向
    四、发展方向    当前碳纳米管的研究与开发的新动向是多层碳纳米管向单层碳纳
    当前碳纳米管的研究与开发的新动向是多层碳纳米管向单层碳纳米管方向发展。多层碳纳米管的小批量生产技术和应用技术已由多家企业承担并在快速推进之中（如前述）。但是单层碳纳米管的应用开发仅靠一家大学来推进，显然是不够的。为了研制出高纯度的单层碳纳米管必须采用激光-烧蚀法来开展研究。    目前日本正在重点攻关研制高品质的单层碳纳米管，主要从选用
    目前日本正在重点攻关研制高品质的单层碳纳米管，主要从选用催化剂、研究合成工艺等方面着手。由碳纳米管发现者饭岛澄男领导的项目组牵头，第一年(2003年)的科研经费预算为7.5亿日元，主要加强在产业应用方面的推进。为此，碳纳米管的特性应用研究方向主要也针对单层碳纳米管的应用研究。项目组开展了对单层碳纳米管的特性测定、结构研究以及在金属、半导体方面的应用研究。在基础研究中所需的分析测试技术、元素分析方法、结构评价技术等也在全面推进。    碳纳米技术已成为21世纪的关键技术，是当前世界各国经济竞
    碳纳米技术已成为21世纪的关键技术，是当前世界各国经济竞争中的主要推动力，特别受到产业界的密切关注。从我国状况来看，虽也有不少科研单位、大学已投入这方面的研发，但具有自主知识产权的技术还很欠缺。应该看到，我国从实验室走向产业化的应用与开发尚有一段距离，需要研究单位和产业界共同努力，加大发展力度。

碳纳米管相关链接    ２００１年８月：中国科学院化学研究所有机固体实验室成功研
    ２００１年８月：中国科学院化学研究所有机固体实验室成功研制出超双疏阵列碳纳米管膜，以酞菁金属配合物为原料制备了具有相当均匀的长度和外径的阵列碳纳米管膜，将来可望应用在微量液体，如珍贵药品、化学试剂及蛋白质液体等的输送上。    ２００１年１１月：由清华大学与南风集团合作开发的１５ｋｇ
    ２００１年１１月：由清华大学与南风集团合作开发的１５ｋｇ／ｈ碳纳米管批量生产技术通过国家教育部鉴定，鉴定会认为该技术打破了制约碳纳米管推广应用的“瓶颈”。    ２００２年８月：日本东京大学丸山茂夫副教授开发出用酒精制
    ２００２年８月：日本东京大学丸山茂夫副教授开发出用酒精制取碳纳米管新技术，制取的单层碳纳米管结晶性优良，硬度可与金刚石媲美，电特性也很好，为廉价批量生产碳纳米管提供了可能。    ２００２年１０月：清华大学姜开利博士首创了从碳纳米管阵列
    ２００２年１０月：清华大学姜开利博士首创了从碳纳米管阵列中拉出连续长线的方法，刊登在英国出版的《自然》杂志。《自然》评论说“基于这项工作，纯粹由碳纳米管制成的货真价实的宏观器件已依稀可辨”。    ２００２年１１月：美国赖斯大学化学教授韦斯曼等人宣布精确
    ２００２年１１月：美国赖斯大学化学教授韦斯曼等人宣布精确测出多种碳纳米管的光谱。这一成果有望为分析和测定碳纳米管找到一种更快速、简单的新手段。    ２００３年２月：中科院化学所有机固体重点实验室与北京大学
    ２００３年２月：中科院化学所有机固体重点实验室与北京大学人工微结构及介观物理国家重点实验室共同合作，在国际上首次利用Ｃ６０直接构筑Ｃ６０纳米管。这是迄今为止惟一保持了C60分子结构和性质的具有共轭π电子结构的纳米管，对化学、物理学及材料科学的基础和应用研究将产生重要影响。