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，意外地發現了一些完全由碳原子構成的直徑為納米級的管狀物，后來人們把這種管狀物稱為碳納米管(carbon nanotubes，簡稱CNTs碳納米管)，其分子結構圖見下圖：

自發現碳納米管以來，其超強的力學性能、優異的場發射性能、極高的儲氫性能、潛在的化學性能等使碳納米管的研究和制備一直是國際納米技術和新材料領域的研究熱點。

一、碳納米管的前景應用領域

1、信息存儲

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可達1.3nm(當存儲信號的斑點為10nm時，其存儲密度為1 012bits/cm2,稱其為超高密度，比目前市場上的商品高4個數量級)，從而實現信息的超高密度存儲,該技術將會給信息存儲技術帶來革命性變革。

2、制造微電子元件及電路

研究表明，利用化學蒸氣沉積，催化劑粒子尺寸控制，碳納米管定向自組裝技術，可以在硅基體上成功實現自定向單分散性的碳納米管的大規模排列。通過實驗發現這些碳納米管具有電子場發射特性，同時樣品顯示了低操作電壓和高電流穩定性。這種制造方法與當前半導體的制作法是一致的，因此這種技術的推廣可促進應用于微電子技術的碳納米管裝置的發展。單電子晶體管是一種可以替代傳統微電子元件而應用于未來微電子技術的理想元件。隨著碳納米管組成的分子導線、二極管、場效應管、單電子體管的出現，下一個目標就是將這些部件有機組合形成能完一定邏輯功能的電路。

3、超級電容器

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

4、傳感器的應用

而現有的二氧化氮氣體傳感器一般都在高溫下(200～600oc)工作，其目的是為了達到較高的靈敏度。實驗演示了基于單壁碳納米管的化學傳感器的特性。在室溫下，他們的傳感器被置于二氧化氮或氨氣中，傳感器的電阻會在幾秒鐘之內改變2到3個數量級，因此具有較高的靈敏度。此外，將傳感器置于惰性氣體環境中或對其加熱都可以使其電阻慢慢恢復到初始狀態，這說明了其使用的可逆性。通過他們的試驗可以看出，與傳統的傳感器相比，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測某種特定氣體，有實驗數據表明，它在多種類型的傳感器都有特殊表現。

5、作為儲氫材料的應用

作為能源的一種，氫氣已經吸引了許多人的注意，它作為燃料使用時既不會污染空氣也不會產生溫室氣體。然而氫氣的儲存和運輸問題還沒有很好地解決。有研究發現，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溶液分別對碳納米管進行了表面處理，極大地增加了比表面積和表面活性，使其儲氫性能大大超過普通儲氫材料。

6、催化學應用

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

7、質子交換膜(PEM)燃料電池

碳納米管燃料電池是最具發展潛力的新型汽車動力源，這種燃料電池通過消耗氫產生電力,排出的廢氣為水蒸氣，因此沒有污染。只要能夠提供足夠氫燃料，配有碳納米管燃料電池的電動汽車行駛路程不受限制。相比配有鋰離子電池及鎳氫動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越性

二、碳納米管的制備

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

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中研究得最早的一種。研究者在優化電弧放電法制取碳納米管方面做了大量的工作。近年來，人們除通過調節電流、電壓，改變氣壓及流速，改變電極組成，改進電極進給方式等優化電弧放電工藝外，還通過改變打弧介質，簡化電弧裝置。電弧法在制備碳納米管的過程中通過改變電弧放電條件、催化劑、電極尺寸、進料方式、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).但產率偏低，電弧放電過程難以控制，制備成本偏高其工業化規模生產還需探索。

2、催化裂解法或催化化學氣相沉積法(CCVD)

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

3、激光蒸發法

激光蒸發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控制。研究人員發現激光脈沖間隔時間越短，得到的單壁碳納米管產率越高，而單壁碳納米管的結構并不受脈沖間隔時間的影響。用CO2激光蒸發法，在室溫下可獲得單壁碳納米管，若采用快速成像技術和發射光譜可觀察到氬氣中蒸發煙流和含碳碎片的形貌，這一診斷技術使跟蹤研究單壁碳納米管的生長過程成為可能。激光蒸發(燒蝕)法的主要缺點是單壁碳納米管的純度較低、易纏結。

4、定向生長法

定向生長首先是特定制作基底模板之上的生長，模板的制作是決定生成的產物是否定向的關鍵。模板可通過掩膜技術、電鍍技術、化學刻蝕、表面包覆、溶膠一凝膠、微印刷術等技術，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技術等可實現碳納米管在模板上的有序生長。已報道的制備方法中，以孔型硅或孔型Al2O3為模板，通過CCVD合成定向碳納米管的方法居多。定向生長法制出的碳納米管準直、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少，但制作模板和催化劑需冗長且繁雜的工藝過程，其操作和設備要求比較苛刻，因此規模受限。最近文獻報道顯示，一定條件下通過浮游催化亦可實現碳納米管定向生長。這無疑是定向生長值得探究的方向。

上述各種合成方法各有特點，電弧法得到的碳納米管形直壁薄，長度較短，但電弧反應難于控制，不利于工業化規模生產。激光燒蝕法得到的碳納米管雜質較少，易于提純，但需要復雜昂貴的設備，能耗大、產量小，限制了它的廣泛應用。CCVD設備簡單，可控工藝參數少，相對能耗小，可大規模生產，但制出的碳納米管相互纏繞缺陷較多。模板定向生長制出的碳納米管質量相對上乘，但制作工藝復雜。產量極其有限，難于滿足需求。因此碳納米管合成所面臨的急待解決的問題仍不容忽視。

碳納米管是納米材料中開發價值最高的納米材料之一。碳納米管的導電性能優于銅，僅次于超導體，導熱性能優于金剛石,并是已知的彈性模量和抗拉強度最高的材料。可以預見，隨著研究領域新的發現,碳納米管的應用領域將會越來越廣，其蘊藏的潛在的巨大經濟價值將隨著人們對它的認識的不斷加深而充分體現出來。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研究和應用研究。所以對碳納米管制備方法的研究顯得尤為重要。另外，納米尺寸的測量手段也須進一步加強。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展，納米碳材料將會對全世界的科學和經濟產生重大的影響。

（粉體圈 作者：梧桐）