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題,，因此在宏量制備中首先需要考慮的是如何放大的問題,，即宏觀操作對(duì)碳納米管結(jié)構(gòu)的影響，其次是過程中存在的熱質(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)問題。碳納米管宏量制備過程中還包含許多時(shí)間和空間等多尺度的科學(xué)問題,，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),。
參考來源：
張樹辰.碳納米管可控制備的過去、現(xiàn)在和未來
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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