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碳纳米管杂谈-1

译自Chem-Station网站日本版 原文链接:カーボンナノチューブをふりかえる〜Nano Hypeの狭間で

翻译:炸鸡 校对:Jiao Jiao

大家记得碳纳米管吗?纳米碳管是一种管状的石墨烯,于1991年被日本科学家饭岛澄男发现。

碳纳米管与富勒烯和石墨烯并称碳三兄弟,继碳纳米管和富勒烯被发现后不久,当时的美国克林顿政府就下令大力开发“纳米技术项目”,纳米相关连的研究的预算瞬间暴涨,甚至一些私有企业也在纳米研究项目投入资金,当时美国对纳米技术的重视程度就好比现在美国政府对人工智能和大数据的重视程度。

将“纳米技术”升级为国家项目的比尔·克林顿总统(来自维基百科)

那么当年作为纳米材料代表之一的碳纳米管如今处于什么样的发展状态呢?是否如当年人们所预料的那样成为了划时代的发现呢?有没有用的实际的产品中,今天这篇的文章就来带大家回顾一下现在碳纳米管都应用到了什么领域上。

从左到右依次按照发现的时间顺序:富勒烯纳米管石墨烯

生产量

在2016年时,世界前三大纳米管生产商的的产量总计约为2000吨/年,与世界上当年用于制造轮胎的标准炭黑产量为200万吨/年的水平相比,碳纳米管的年产量要少得多。但截止到2020年,全球上百家生产碳纳米管的企业的总生产量已经达到惊人的万吨/年了。2017年的时候除了韩国的LG Chem以400吨/年为目标开始试生产之外,也有其他少量生产的厂家,但是大概不超过200吨/年,但是到了2020年,韩国LG Chem已经计划将年产量增至1200吨/年。

同时一些公司和研究组织也在不断开发碳纳米管的新应用,接下来笔者就带来近10年以来碳纳米管的一些有趣的应用,以功能分类介绍,并且点出各个应用的特点。另外,碳纳米管作为结构材料的应用本篇内容不会涉及。

①导电材料

人们当初理论上推测碳纳米管的导电性会很高,故而对碳纳米管寄予厚望。当时人们期望能利用碳纳米管制造出一种电阻堪比铜等金属、质量又轻的近乎完美的导线。

但是碳纳米管是通过化学反应合成的,碳纳米管是结晶性分子所以产率不可能达到100%。化学反应如果不是没有损耗或者反应反复进行的话,副反应始终都在,所以不可能生产出高结晶度的没有缺陷的碳纳米管。如果开发出一种在相当高的温度下结晶纳米管的方法,如直拉法,或者一种能够对缺陷进行后修复的贴片合成方法,那就另当别论了,但原则上似乎是很难的。

然而,在相关人员的不懈努力下,低电阻的导线已经问世,由日本古河电气公司生产的碳纳米管导线其电阻约为铜的1/4,这一成果堪称世界级的高水平。成功的关键是什么呢?提高双壁碳纳米管的的含量。这个方法到底这个是怎么找到的呢?作者的个人推测是出于偶然,可能是研究人员无意间将两个碳纳米管组合到一起,通过TEM(透射电子显微镜)发现很多具有双壁结构的碳纳米管的导电性都异常地高。近年还有使用这种技术制造了小型电机(化学工业日报报道),碳纳米管电线有望成为重要的轻量化技术的基础。

日本古河电气公司生产的高导电性碳纳米管

双壁碳纳米管与高度的捻丝技术相结合就可以制造出具有高导电性的导线。引用自[文献2]

碳纳米管导线即使直径为铜导线的2倍,重量也几乎与铜导线相当,这一特性有望在特殊领域发挥作用。美国的Nanocomp公司首个将这种高导电率的碳纳米管制成如下图所示的电缆[3]

Nanocomp制造的电缆[3]

但是在这种高导电性的碳纳米管问世的时候,无论是发现者日本古河电气公司还是首个应用的Nanocomp都没有引起大众太多的关注,但从技术发展的宏观角度而言,这无疑是具有重大意义的。可以用于电磁屏蔽和静电放电(防静电)。总之,虽然双壁碳纳米管的性能虽然尚未被开发到极致,但在一些不需要如铜一般的高导电性又想要轻量材料的航空领域可以发挥角色。

未完待续

【参考文献】

  1. “Carbon Nanotubes: Present and Future Commercial Applications”, A. John Hart et al, SCIENCE VOL 339 1 FEBRUARY 2013
  2. “カーボン材料について”, 2012年 東レ㈱ 総合科学技術会議 ナノテクノロジー・材料共通基盤技術検討WG資料 リンクこちら
  3. “Building a World Impact Business on Carbon Nano Tubes”, 2016年 MicroNano International Conference,  P. Antoinette リンクこちら
  4. “The effects of CNTs for lithium-ion batteries as additives” 2009年 昭和電工㈱ Safety of manufactured nanomaterials Conference リンクこちら

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