1991年NEC公司的電鏡專家在用高分辨電子顯微鏡 ( HRTEM ) 檢查C60分子時(shí)，意外地發(fā)現(xiàn)了一些完全由碳原子構(gòu)成的直徑為納米級(jí)的管狀物，后來(lái)人們把這種管狀物稱為碳納米管(carbon nanotubes，簡(jiǎn)稱CNTs碳納米管)，其分子結(jié)構(gòu)圖見下圖：

自發(fā)現(xiàn)碳納米管以來(lái)，其超強(qiáng)的力學(xué)性能、優(yōu)異的場(chǎng)發(fā)射性能、極高的儲(chǔ)氫性能、潛在的化學(xué)性能等使碳納米管的研究和制備一直是國(guó)際納米技術(shù)和新材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

一、碳納米管的前景應(yīng)用領(lǐng)域

1、信息存儲(chǔ)

由于碳納米管作為信息寫入及讀出探頭，其信息寫入及讀出點(diǎn)可達(dá)1.3nm(當(dāng)存儲(chǔ)信號(hào)的斑點(diǎn)為10nm時(shí)，其存儲(chǔ)密度為1 012bits/cm2,稱其為超高密度，比目前市場(chǎng)上的商品高4個(gè)數(shù)量級(jí))，從而實(shí)現(xiàn)信息的超高密度存儲(chǔ),該技術(shù)將會(huì)給信息存儲(chǔ)技術(shù)帶來(lái)革命性變革。

2、制造微電子元件及電路

研究表明，利用化學(xué)蒸氣沉積，催化劑粒子尺寸控制，碳納米管定向自組裝技術(shù)，可以在硅基體上成功實(shí)現(xiàn)自定向單分散性的碳納米管的大規(guī)模排列。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這些碳納米管具有電子場(chǎng)發(fā)射特性，同時(shí)樣品顯示了低操作電壓和高電流穩(wěn)定性。這種制造方法與當(dāng)前半導(dǎo)體的制作法是一致的，因此這種技術(shù)的推廣可促進(jìn)應(yīng)用于微電子技術(shù)的碳納米管裝置的發(fā)展。單電子晶體管是一種可以替代傳統(tǒng)微電子元件而應(yīng)用于未來(lái)微電子技術(shù)的理想元件。隨著碳納米管組成的分子導(dǎo)線、二極管、場(chǎng)效應(yīng)管、單電子體管的出現(xiàn)，下一個(gè)目標(biāo)就是將這些部件有機(jī)組合形成能完一定邏輯功能的電路。

3、超級(jí)電容器

作為電雙層電容電極材料，要求材料結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好、比表面積大,微孔大小集中在一定的范圍內(nèi)。而目前一般用多孔炭作電極材料，不但微孔分布寬(對(duì)存儲(chǔ)能量有貢獻(xiàn)的孔不到30%),而且結(jié)晶度低、導(dǎo)電性差、導(dǎo)致容量小。碳納米管比表面積大、結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好，微孔大小可通過(guò)合成工藝加以控制,因而是一種理想的電雙層電容器電極材料。碳納米管超級(jí)電容器是已知的最大容量的電容器。

4、傳感器的應(yīng)用

而現(xiàn)有的二氧化氮?dú)怏w傳感器一般都在高溫下(200～600oc)工作，其目的是為了達(dá)到較高的靈敏度。實(shí)驗(yàn)演示了基于單壁碳納米管的化學(xué)傳感器的特性。在室溫下，他們的傳感器被置于二氧化氮或氨氣中，傳感器的電阻會(huì)在幾秒鐘之內(nèi)改變2到3個(gè)數(shù)量級(jí)，因此具有較高的靈敏度。此外，將傳感器置于惰性氣體環(huán)境中或?qū)ζ浼訜岫伎梢允蛊潆娮杪謴?fù)到初始狀態(tài)，這說(shuō)明了其使用的可逆性。通過(guò)他們的試驗(yàn)可以看出，與傳統(tǒng)的傳感器相比，這種基于單壁碳納米管的傳感器具有更快的反應(yīng)速度和更高的靈敏度。單壁碳納米管制造的傳感器并不僅限于監(jiān)測(cè)某種特定氣體，有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，它在多種類型的傳感器都有特殊表現(xiàn)。

5、作為儲(chǔ)氫材料的應(yīng)用

作為能源的一種，氫氣已經(jīng)吸引了許多人的注意，它作為燃料使用時(shí)既不會(huì)污染空氣也不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體。然而氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸問(wèn)題還沒(méi)有很好地解決。有研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管的表面特性決定著其與氫的相互作用，利用濃硝酸和NaOH溶液分別對(duì)碳納米管進(jìn)行了表面處理，極大地增加了比表面積和表面活性，使其儲(chǔ)氫性能大大超過(guò)普通儲(chǔ)氫材料。

6、催化學(xué)應(yīng)用

除了微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)和作為儲(chǔ)氫材料的應(yīng)用之外，碳納米管作為一種新型碳素催化劑和催化載體近年來(lái)已經(jīng)吸引了催化學(xué)界的注意。研究碳納米管負(fù)載鎳催化劑催化性能的試驗(yàn)表明，碳納米管負(fù)載鎳作催化劑時(shí)反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率是二氧化硅負(fù)載鎳催化劑的2．36倍，是活性炭負(fù)載鎳催化劑的1．83倍和三氧化二鋁負(fù)載鎳催化劑1．49倍。此外，用碳納米管修飾的電極也顯示了極強(qiáng)的催化能力，研究表明，羧基化多壁碳納米管修飾電極對(duì)硫基化合物(半胱氨酸和還原型谷胱甘肽)有著顯著的電催化作用。

7、質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池

碳納米管燃料電池是最具發(fā)展?jié)摿Φ男滦推噭?dòng)力源，這種燃料電池通過(guò)消耗氫產(chǎn)生電力,排出的廢氣為水蒸氣，因此沒(méi)有污染。只要能夠提供足夠氫燃料，配有碳納米管燃料電池的電動(dòng)汽車行駛路程不受限制。相比配有鋰離子電池及鎳氫動(dòng)力電池的汽車目前充電一次行駛路程大約200~300km，碳納米管燃料電池有巨大的優(yōu)越性

二、碳納米管的制備

碳納米管的合成技術(shù)主要有：電弧法、激光燒蝕(蒸發(fā))法、催化裂解或催化化學(xué)氣相沉積法(CCVD),以及在各種合成技術(shù)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的定向控制生長(zhǎng)法等。

1、電弧法：

利用石墨電極放電獲得碳納米管是各種合成技術(shù)中研究得最早的一種。研究者在優(yōu)化電弧放電法制取碳納米管方面做了大量的工作。近年來(lái)，人們除通過(guò)調(diào)節(jié)電流、電壓，改變氣壓及流速，改變電極組成，改進(jìn)電極進(jìn)給方式等優(yōu)化電弧放電工藝外，還通過(guò)改變打弧介質(zhì)，簡(jiǎn)化電弧裝置。電弧法在制備碳納米管的過(guò)程中通過(guò)改變電弧放電條件、催化劑、電極尺寸、進(jìn)料方式、極間距離以及原料種類等手段而日漸成熟。電弧法得到的碳納米管形直，壁簿(多壁甚至單壁).但產(chǎn)率偏低，電弧放電過(guò)程難以控制，制備成本偏高其工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)還需探索。

2、催化裂解法或催化化學(xué)氣相沉積法(CCVD)

催化裂解法是目前應(yīng)用較為廣泛的一種制備碳納米管的方法。該方法主要采用過(guò)渡金屬作催化劑，適于碳納米管的大規(guī)模制備，產(chǎn)物中的碳納米管含量較高，但碳納米管的缺陷較多。

3、激光蒸發(fā)法

激光蒸發(fā)法是制備單壁碳納米管的一種有效方法。用高能CO2激光或Nd/YAG激光蒸發(fā)摻有Fe、Co、Ni或其合金的碳靶制備單壁碳納米管和單壁碳納米管束，管徑可由激光脈沖來(lái)控制。研究人員發(fā)現(xiàn)激光脈沖間隔時(shí)間越短，得到的單壁碳納米管產(chǎn)率越高，而單壁碳納米管的結(jié)構(gòu)并不受脈沖間隔時(shí)間的影響。用CO2激光蒸發(fā)法，在室溫下可獲得單壁碳納米管，若采用快速成像技術(shù)和發(fā)射光譜可觀察到氬氣中蒸發(fā)煙流和含碳碎片的形貌，這一診斷技術(shù)使跟蹤研究單壁碳納米管的生長(zhǎng)過(guò)程成為可能。激光蒸發(fā)(燒蝕)法的主要缺點(diǎn)是單壁碳納米管的純度較低、易纏結(jié)。

4、定向生長(zhǎng)法

定向生長(zhǎng)首先是特定制作基底模板之上的生長(zhǎng)，模板的制作是決定生成的產(chǎn)物是否定向的關(guān)鍵。模板可通過(guò)掩膜技術(shù)、電鍍技術(shù)、化學(xué)刻蝕、表面包覆、溶膠一凝膠、微印刷術(shù)等技術(shù)，使金屬或含金屬的催化劑沉積于一定的基底上制得。利用催化熱解或各種CCVD技術(shù)等可實(shí)現(xiàn)碳納米管在模板上的有序生長(zhǎng)。已報(bào)道的制備方法中，以孔型硅或孔型Al2O3為模板，通過(guò)CCVD合成定向碳納米管的方法居多。定向生長(zhǎng)法制出的碳納米管準(zhǔn)直、均勻性好、石墨化程度高、碳納米管相互平行排列不纏繞缺陷相對(duì)少，但制作模板和催化劑需冗長(zhǎng)且繁雜的工藝過(guò)程，其操作和設(shè)備要求比較苛刻，因此規(guī)模受限。最近文獻(xiàn)報(bào)道顯示，一定條件下通過(guò)浮游催化亦可實(shí)現(xiàn)碳納米管定向生長(zhǎng)。這無(wú)疑是定向生長(zhǎng)值得探究的方向。

上述各種合成方法各有特點(diǎn)，電弧法得到的碳納米管形直壁薄，長(zhǎng)度較短，但電弧反應(yīng)難于控制，不利于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。激光燒蝕法得到的碳納米管雜質(zhì)較少，易于提純，但需要復(fù)雜昂貴的設(shè)備，能耗大、產(chǎn)量小，限制了它的廣泛應(yīng)用。CCVD設(shè)備簡(jiǎn)單，可控工藝參數(shù)少，相對(duì)能耗小，可大規(guī)模生產(chǎn)，但制出的碳納米管相互纏繞缺陷較多。模板定向生長(zhǎng)制出的碳納米管質(zhì)量相對(duì)上乘，但制作工藝復(fù)雜。產(chǎn)量極其有限，難于滿足需求。因此碳納米管合成所面臨的急待解決的問(wèn)題仍不容忽視。

碳納米管是納米材料中開發(fā)價(jià)值最高的納米材料之一。碳納米管的導(dǎo)電性能優(yōu)于銅，僅次于超導(dǎo)體，導(dǎo)熱性能優(yōu)于金剛石,并是已知的彈性模量和抗拉強(qiáng)度最高的材料。可以預(yù)見，隨著研究領(lǐng)域新的發(fā)現(xiàn),碳納米管的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)越來(lái)越廣，其蘊(yùn)藏的潛在的巨大經(jīng)濟(jì)價(jià)值將隨著人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)的不斷加深而充分體現(xiàn)出來(lái)。但目前所得到的碳納米管缺陷較多，且不易分散，這大大限制了碳納米管的性質(zhì)研究和應(yīng)用研究。所以對(duì)碳納米管制備方法的研究顯得尤為重要。另外，納米尺寸的測(cè)量手段也須進(jìn)一步加強(qiáng)。總之，隨著碳納米管研究的逐步深入以及納米科技的快速發(fā)展，納米碳材料將會(huì)對(duì)全世界的科學(xué)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大的影響。

（粉體圈 作者：梧桐）