【科普】通往宇宙的可能——碳纳米管材料

前段时间，国产科幻灾难电影《流浪地球2》上映了。这部电影将科技与灾难等主题以天马行空的思路巧妙结合，并给予了我们极为震撼的视觉冲击。同时，《流浪地球2》中呈现出的太空电梯也引发了我们的深思。如果在未来的某一天，我们真的拥有了乘坐太空电梯去探索宇宙的能力和技术。那么，太空电梯的主要构成材料会是什么？太空电梯的制作材料所最需要的性能有哪些？太空电梯制作材料的生产成本有多高？太空电梯见图1。

图1. 太空电梯（图源自网络）

太空电梯的概念早在1895年就由俄国科学家，航天学之父齐奥尔科夫斯基提出[1]。但是，长达数万米的超高强度缆绳严重阻碍着这种奇思妙想成为现实。从理论上计算，制作缆绳的材料强度必须达到钢铁的约180倍[1]。但现如今，纳米技术飞速发展，所开发出的碳纳米管纤维材料具备质量轻、强度高等诸多优点。碳纳米管如图2所示。正如，清华大学的研究团队研发了一种高强度的纤维，仅用1立方厘米的用碳纳米管制成的纤维就能承受160头大象（超过800吨）的重量且不会断裂，而这根小小的缆绳仅重1.6克[2]。这让太空电梯的实现或许成为可能。

图2. 碳纳米管（图源自网络）

碳纳米管的出生

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Kroto H. W.、Smalley R. E.、和Curl R. F.于1985年一起发现了C60，并发现了C60具备“足球”结构。作为富勒烯中的一员，C60的稳定性较高，因而被许多科学家广泛研究。在富勒烯研究推动下，1991年一种更加奇特的碳结构——碳纳米管被日本电子公司（NEC）的电镜学家lijima发现[3]。

碳纳米管是纳米材料中极具高强度的超级纳米材料。碳纳米管一经发现，便受到各行业及各界的广泛关注与青睐。碳纳米管的优良物理、力学和化学性质深受人们的喜爱，并极具研究和应用价值。

碳纳米管的结构

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从碳纳米管的内部结构来看，它可被视为由石墨烯片层卷曲而制成。所以，碳纳米管可依据石墨烯片的层数而划分，分为两种类型的碳纳米管，即单壁碳纳米管（Single-walled Carbon nanotubes）和多壁碳纳米管（Multi-walled Carbon nanotubes），见图3。

图3. 单壁碳纳米管和多壁碳纳米管（图源自网络）

单壁碳纳米管具有较小的直径分布范围，同时它含有较少的缺陷和较高的均匀一致性[4]。尺寸方面：单壁碳纳米管的直径范围主要为1～6nm[4]。一般认为，单壁碳纳米管的直径大于6nm以后特别不稳定，容易发生单壁碳纳米管的塌陷[4]。而其长度则可达几百纳米至几十微米[4]。

多壁碳纳米管的管壁上往往存在非常多的小洞样的缺陷[4]。尺寸方面：其层间距大概为0.34nm[4]。外径为几纳米至几百纳米，并且目前已知的最小内径为0.4nm[4]。而其长度一般是微米数量级，最长者则为数毫米[4]。

碳纳米管的制作工艺

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既然碳纳米管如此令人神往，那么我们如何制备碳纳米管呢？我们又有哪些方法能够制备碳纳米管呢？目前，碳纳米管的制作方法有电弧法、等离子体法、激光法和催化法等[5]。下面让我们一起来看看吧！

1、电弧法

在电弧法中，石墨被用作为电极，电极的阴极选用大面积的石墨棒，而电极的阳极选用面积较小的石墨棒。同时，将石墨电极放置于充满的惰性气体的真空反应室中。随后，在石墨电极的两极间发电弧放电。石墨因电弧放电而产生的高温而逐渐蒸发，阳极石墨棒随之消耗，而在阴极则生成碳纳米管、富勒烯（C60）和无定型碳等。这种碳纳米管的制作方法较为简单，但制备过程及产物中存在诸多弊端。如：制成的产物含有较多的缺点；产物为混合物，其中成分较为复杂；要在混合物中得到高纯度的碳纳米管则难度较大等。

2、等离子体法

在等离子体喷射沉积法中，使用等离子体分解苯蒸气，其后会产生的碳原子簇，随后将碳原子簇沉积在水冷铜板上。这种制备碳纳米管的方法需要较为复杂的设备，而制备过程中会产生较高的成本和一定的污染。

3、激光法

在激光蒸发气相沉积法中，需要在惰性气体气流中用激光照射蒸发石墨靶。这种制备方法会制备出单壁碳纳米管（直径为0.81～1.51nm）。此类制备方法制备得到的碳纳米管具有较高的纯度，但同样需要较为复杂的设备仪器，会产生较高的能耗和成本。

4、催化法

在催化法中，是会在过渡金属催化剂上分解碳氢化合物，从而得到碳纳米管。这种催化制作方法会制备出多壁碳纳米管，而得到的碳纳米管具有较高纯度和较大的产量。同时，制备过程中的生产设备较为简单，是制备多壁碳纳米管的很好的方法。

碳纳米管材料的当前应用

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近年来，人们不断地探索更优的、更适宜的碳纳米管材料制备方式。汪椿皓等[6]制备碳纳米管材料时，采用了热解气－化学气相沉积法。实验过程中，他们运用了“一步法”和“两步法”的生长实验设计。之后呢，他们又对碳纳米管材料产生的影响因素进行了探讨。

鉴于碳纳米管材料具备的优异性能，人们对碳纳米管复合材料的合成进行了大量研究，并探究了碳纳米管材料及复合材料的各项性能。其目的是能够将碳纳米管复合材料的优异性能广泛应用于生产实践。

现如今，人们对碳纳米管材料的研究和应用已经越来越广泛。应用中较为突出的研究进展包括：碳纳米管在合成橡胶中的应用[7]、碳纳米管在锂离子电池中的应用[8]以及碳纳米管在超级电容器电极材料中的应用[9]等。

其中，在超级电容器中作为电极材料的应用方面，碳纳米管（CNT）和其与导电聚合物、金属氧化物、石墨烯、金属有机骨架复合所形成的二元及三元复合材料均可作为超级电容器电极材料[9]，复合电极或复合材料的制备如图4至图6所示。

图4. 在不锈钢上制作核壳MnO2@CNTs复合电极示意图（图源自文献[9]）

图5. Mn-Zr-MOF/CNT纳米复合材料制备示意图（图源自文献[9]）

图6. VO2(B)、VO2(B)/CNT和VO2(B)/CNT/rGO制备图（图源自文献[9]）

此外，赵凤霞等[10]建立了一种快速检测Hg2+的可视化比色方法。这种方法是建立在酶的催化作用和一种特异性结合作用之上。然而，这种酶便是银修饰的单壁碳纳米管（Ag-SWNTs）复合纳米酶。

在传感器制备方面，刘建波等[11]研制了CuO@MWCNTs纳米复合材料，并将此复合材料用于制备过氧化氢电化学传感器，同时还对传感器的电化学性能进行了测定。

在热电织物领域方面，苏州大学的科研团队也有所突破。他们研制出了一种碳纳米管复合材料。这种复合材料是一种具备高热电性能的纱线。同时，他们由此制作了可有效完成人体热能到电能转化的柔性热电织物[12]。如图7所示。

图7. 热电织物示意图（图源自文献[12]）

碳纳米管的未来可能用途及展望

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鉴于碳纳米管卓越的物理、力学和化学性质，碳纳米管具有强大的潜力和广泛的前景。在未来，碳纳米管很可能被广泛应用于各行各业，包括可用作储氢材料、场致发射、新型碳纤维材料及增强材料、超级电容器、新型的电子探针、新一代的微电子器件、锂离子充电电池的电极材料、隐身材料、催化剂组分、碳纳米管肌肉、高分子/碳纳米管复合材料、碳纳米管内进行管道合成、传感器、可溶性碳纳米管试剂、放射性清洁及同位素分离、混纺材料等[5]。

结语

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科技的发展和前进必将引领着时代的变化。如若在碳纳米管材料领域能够不断前进，开发生产出高性能、高强度且能够量产的碳纳米管纤维材料。或许，在未来的某一天，我们人类真的能够搭建起通往宇宙的太空电梯，探索宇宙的奥秘！

参考文献

[1] 柯谱.太空电梯离我们又近了[J].国际太空,2013(09):50-56.

[2] 中国研制出超强碳纳米管纤维 或可用于太空电梯[J].信息技术与信息化,2018(11):11.

[3] Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon[J]. Nature, 1991, 354(6348): 56.

[4] 董莲枝,曹柳男.浅谈单壁碳纳米管与多壁碳纳米管的差异[J].科学之友,2012(06):14-15.

[5] 高利珍,李贺,梁奇等.碳纳米管的生产及其应用[J].科技导报,2001(06):16-19.

[6] 汪椿皓,许晓,何振等.生物质基碳纳米管的制备及其生长机理分析[J].炭素技术,2023,42(05):30-37.

[7] 崔小明.碳纳米管在合成橡胶中的应用研究进展[J].橡胶科技,2021,19(06):265-271.

[8] 李磊,郑海峰,郭明聪等.碳纳米管在锂离子电池中的应用综述[J].炭素,2021(02):30-32+19.

[9] 王惠颖,安立宝.基于碳纳米管的超级电容器电极材料研究进展[J].现代化工,2023,43(03):30-35.

[10] 赵凤霞,李丹靓,陈果等.复合纳米酶传感器可视化检测水中汞离子[J].分析试验室,2023,42(10):1299-1303.

[11] 刘建波,陈昊,赵佳瑞等.基于碳纳米管的过氧化氢电化学传感器的构置与应用[J].当代化工,2023,52(09):2115-2118.

[12] 一种基于棉织物的高性能碳纳米管复合热电织物[J].福建轻纺,2023(10):6-7.

作者：半弧

作者单位：西北师范大学

来源：化学通讯