第一情报 ---材料工业

碳纳米管的合成与加工研究进展

供稿人:卞志昕  供稿时间:2013-3-29   关键字:碳纳米管  合成  加工  

化学气相沉积(CVD)法是碳纳米管(CNT)大量生产的主要方法,最典型的是使用流化床反应器,达到金属催化剂纳米颗粒受到气体的均匀扩散和热量的均匀传递。工程放大,使用低成本的原料,增加收率,降低能耗和减少废物的生成都会大幅降低MWNT的价格。但是大规模CVD生产法会有污染物生成,影响了CNT的性质,需要高费用的热退火及/或化学处理去除这些污染物。这些操作步骤会给CNT的侧壁造成缺陷,缩短CNT的长度。当前,散装的净化过的MWNT卖到100 美元以下一公斤,但是比市场上销售的碳纤维贵1--10倍。

在了解CVD过程的条件后,采用更好的合成法合成金属或半导电体的单壁纳米管(SWNT),选择性达到90--95%,用硼或氮掺入到CNT,用导向流增长法使相互隔离的SWNT增长到18.5 cm。然后需要迫切了解的是CNT的手性,直径,长度和纯度是如何与催化剂的组成和工艺条件关联的。现场观察CNT成核,CNT-催化剂界面的分子成型是手性选择性合成取得进展的关键。

另外,分离出高纯度的SWNT粉末可以根据手性,利用密度梯度离心,结合选择性表面活性剂包裹或是用硅胶色谱。在市场上销售的有许多种CNT粉末和悬浮液,但生产具有稳定性的CNT悬浮液需要对CNT表面化学改性或者添加表面活性剂。在溶液(如用于旋涂或打印)沉积后通常需要洗涤或热处理除去表面活性剂。

CVD法合成SWNT比合成MWNT的过程控制更严格,加上研究和过程开发产生的成本,使得散装SWNT的价格比MWNT的价格仍高出几个数量级。因此,在应用上凡对CNT直径或能带隙要求并非紧要时常使用MWNT,但当大多数新涌现的应用要求特定手性SWNT时,就需要进一步现实降价的商业可行性。

当合成细长的对准趋向的CNT不需要在液体中分散时,这样的加工才有希望实现不花高费用就达到引人注目的整体性质。这些方法包括在涂有催化剂颗粒的基质面上水平的和竖直的CNT自行对准生长;直接从悬浮催化剂CVD系统生产CNT碳薄片和碳丝束。CNT管簇可以加工成致密的固体,对准趋向薄膜以及复杂的3维微体系结构,可以直接纺丝成长长的碳丝束或延伸成碳薄片。

参考文献:

Michael F. L. De Volder,Sameh H. Tawfick,Ray H. Baughman,A. John Hart. Carbon Nanotubes: Present and Future Commercial Applications[J].SCIENCE,2013,339(6119): 535-539.


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