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行业知识
碳纳米管:性能独特前景诱人
发布时间:2012-12-08 11:06:09 点击浏览:
 自1991年被日本NEC公司首次发现以来,碳纳米管已发展成为性能优异的新型功能材料和结构材料。当下,世界各国竞相在制备和应用方面投入研发力量,期望能占领该技术领域的制高点。科学家们预测,碳纳米管将成为21世纪最有前途的一维纳米材料、纳米电子器件材料和新一代平板显示材料。
 
  高科技应用潜力巨大

  中科院成都有机化学公司于作龙研究员肯定地表示:“碳纳米管可用于多个高科技领域。”他特别提出:“碳纳米管一旦在催化方面获得应用,可望极大提高反应的活性和选择性,产生巨大的经济效益。”

  除此之外,由于特殊的结构和介电性质,碳纳米管表现出较强的宽带微波吸收性能,同时还具有重量轻、导电性可调变、高温抗氧化性能强和稳定性好等特点,是一种有前途的理想微波吸收剂,有可能用于隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。

  由于碳纳米管的比表面积大、表面原子比率大,表现出特殊的电子效应和表面效应。作为纳米材料家族的新成员,碳纳米管特殊的结构和表面特性、优异的储氢能力和金属及半导体导电性,使其在加氢、脱氢和择型催化等反应中具有很大的潜力。

  科研探索瞄向低成本制备

  碳纳米管要实现工业应用,首先须解决低成本大量制备问题。

  中科院金属所成会明研究员强调:“目前碳纳米管研究主要存在两大不足:一是对生长机制缺乏深入理解,限制了碳纳米管的结构可控制备和量化生产;二是缺乏规模化应用技术的探索。”由此也给研究人员带来多重挑战,譬如单壁、双壁碳纳米管的低成本、大规模可控制备,碳管结构的控制制备与调控,碳纳米管生长机理的阐明,碳纳米管器件的构建与组装,碳纳米管优异性能的综合利用和规模化应用技术开发等。

  于作龙研究员介绍,当下有3种碳纳米管的制备方法,即电弧放电法、激光烧蚀法和固定床催化裂解法。总体看来,前两种方法生产的碳纳米管均与其他形态的碳产物共存,存在分离纯化困难、收率较低且难以规模化的不足;第三种方法所用的催化剂必须以薄层形式展开才会有好的效果,否则催化剂的利用率就低,产量也难以提高。

  “要实现碳纳米管的大批量制备,必须首先解决催化剂连续投放以及催化剂与产物及时导出的问题。”于作龙说。他们的研究表明,通过特殊的反应装置和工艺可以实现碳纳米管的连续制备,从而达到低成本、大批量制备碳纳米管的目的。譬如,采用移动床催化裂解反应器可实现设计尺寸碳纳米管的连续制造,从而大幅度降低生产成本,为碳纳米管的工业应用提供保证。

  国内多项成果世界领先

  记者在采访过程中了解到,我国科学家在碳纳米管领域倾注了大量心血,新发现、新应用层出不穷,取得了许多世界领先的成果。譬如,中科院物理所解思深院士等于1996年开发了一种有效地制备大面积、高密度、定向生长碳纳米管的方法,开创了阵列碳纳米管制备研究的先河。随后,该课题组还陆续制备出了最长和最细的碳纳米管。

  同样在1996年,成都有机化学公司开始了有关碳纳米管制备技术的研究;2000年6月,在国际上首次实现了碳纳米管的连续化批量制备;2001年11月,建成当时亚洲最大的碳纳米管生产基地。今天,该公司已拥有7项碳纳米管方面的授权专利,涵盖制备工艺、催化剂及装置等方面;开发的碳纳米管产品已达33个品种,涉及不同直径、长度、纯度及表面基团的产品系列。

      2009年,中科院长春应化所唐涛研究员课题组发明的一种碳纳米管制备方法在拥有6项中国发明专利的基础上,还获得了美国商标专利局的授权。该成果将聚合物高效碳化技术与碳纳米材料制备技术有机结合,为合成碳纳米材料、提高聚合物阻燃性能,以及高值化回收利用废旧聚合物等开辟了新的途径。

  厦门大学化学化工学院于2008年研发出一种制备碳纳米管的催化剂与新技术。至今,厦大已与有关企业共同开发了碳纳米管改性新型高分子复合材料、高性能碳纳米管电容/电池、碳纳米管催化剂材料等。2010年6月,厦大参与投资的年产100千克高纯度多壁碳纳米管生产装置在新疆库车化工园区开工建设,产品已被国内外20多家高校和科研单位作为科研用材。