在当代科技领域，纳米材料是一个备受瞩目的话题，纳米技术正在以其独特的性质和潜在的应用前景引领着各个领域的发展。

而其中，碳纳米管作为最具代表性的纳米材料之一，因其独特的结构和多样的性质，吸引着无数科学家和工程师的关注。

碳纳米管的发现

1991年，日本科学家东京大学的Sumio Iijima通过透射电子显微镜的观察，意外地发现了一种前所未见的全新碳纳米材料——碳纳米管。

在观察石墨电极时，他发现了一些异常微小且形状独特的管状结构，这些结构像是由一层薄薄的石墨卷成了纳米级别的管子。

这一发现令科学家们大为震惊，他们迅速意识到这些微小的管状结构可能是构成全新纳米材料的组成部分，这项重大发现引起了全球科学界的轰动，并为碳纳米管的进一步研究奠定了基础。

Sumio Iijima对这些管状结构的观察是碳纳米管研究的重要里程碑，他的发现拓展了碳纳米管领域的前沿知识。

随着更多科学家对碳纳米管进行深入研究，这一纳米结构的独特性质和潜在应用逐渐被揭示出来，碳纳米管的发现也引发了对其他纳米结构的研究兴趣，纳米技术由此进入了一个全新的时代。

碳纳米管的制备方法

1、化学气相沉积

随着对碳纳米管的深入研究，科学家们开发了多种制备碳纳米管的方法，其中最常用的方法之一是化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition，简称CVD）。

CVD是一种将气体相的物质转变为固体相的方法，通过控制反应条件，可以在合适的催化剂表面上生长出碳纳米管。

CVD法通常在高温的反应室中进行。反应室内的气氛需要被控制，常见的气氛有氢气（H2）和氩气（Ar）等，氢气在反应中起到还原作用，有助于碳原子的沉积。氩气则用于稀释气体，控制反应室的气氛压力。

除了化学气相沉积（CVD）之外，还有其他常用的碳纳米管制备方法，每种方法都有其适用的特定场景。

2、电弧放电法

电弧放电法是一种最早被用于碳纳米管制备的方法，也是发现碳纳米管的方法之一，在这个方法中，通过在两个碳电极之间产生高强度电弧放电，产生高温和高压的条件。

在这样的环境下，碳电极逐渐蒸发并冷凝成碳原子簇，这些簇在冷却过程中形成了碳纳米管，电弧放电法制备的碳纳米管主要为多壁碳纳米管（MWCNTs），且其中含有其他碳物种。

3、激光烧蚀法

激光烧蚀法是一种较为新颖的制备碳纳米管的方法，在这个方法中，使用激光束照射碳靶材料，产生高温和高压的环境，使碳原子从靶材料中剥离出来并冷凝成碳纳米管。

激光烧蚀法制备的碳纳米管质量较高，可以获得较为纯净的单壁碳纳米管（SWCNTs），因此在纳米电子学等领域有重要的应用。

在这个方法中，将含有碳源和催化剂的混合物在高温条件下处理，碳源被还原成碳原子并在催化剂的作用下形成碳纳米管。

这种方法可以灵活地调节反应条件，如温度、反应时间等，以控制碳纳米管的特性，碳热还原法也能制备出MWCNTs和SWCNTs，具有一定的应用潜力。

不同的制备方法适用于不同的需求和应用场景，例如，对于需要大量产量的工业应用，化学气相沉积（CVD）可能更为适合；而对于研究需要较高纯度的碳纳米管，激光烧蚀法可能是更好的选择。

因此，科学家们根据实际应用的需要和研究目标，选择合适的制备方法，以获得具有特定性质的碳纳米管，进一步推动碳纳米管在各个领域的应用和发展。

碳纳米管在电子领域极具潜力

半导体性单壁碳纳米管具有原子级厚度、表面无悬键的准一维管状结构和高电子迁移率等优异电学性质，因而被视为10 nm以下高性能、低功耗场效应晶体管沟道材料最有力候选。单壁碳纳米管已被广泛应用于许多电子器件，包括显示器、存储器、传感器、透明导电薄膜以及碳纳米管计算机等。

碳基是集成电路重要发展方向之一。现有的硅基芯片制造技术即将触碰其极限，相对于传统的硅基CMOS（互补金属氧化物半导体）晶体管，碳纳米管晶体管具有明显的速度和功耗综合优势，单壁碳纳米管被认为是后摩尔时代纳电子器件材料中最具潜力的材料之一。

IBM的理论计算表明，若完全按照现有二维平面框架设计，相比硅基技术，碳管技术具备 15 代的技术优势。

另外，碳基材质的特殊性，它能让电路做到像创可贴一样柔软，半导体型单壁碳纳米管有望在新一代柔性电子器件中获得应用。

不过，如何获得半导体性单壁碳纳米管是目前该领域中最具有挑战性的问题之一。传统制备方法获得的单壁碳纳米管，通常是金属性和半导体性单壁碳纳米管的混合物，并难以分离，严重阻碍了其广泛应用。

新方法让碳纳米管的合成效率提高了三倍

俄罗斯Skoltech大学的科学家们成功改进了最广泛使用的单壁碳纳米管 (SWNT) 生产技术，单壁碳纳米管是一种很有前途的材料，可用于制造太阳能电池、LED、柔性和透明电子产品、智能纺织品、医疗成像设备、有毒气体探测器和过滤系统。研究人员将氢气和一氧化碳引入反应器中，与其他生长刺激剂相比，这使得纳米管的产量几乎增加了三倍，而且质量没有损失。直到最近，该工艺的低生产率还无法充分发挥这种以最终产品的高质量而闻名的生产技术的全部潜力。

研究结果发表在《Chemical Engineering Journal》上。就其结构（但不是其生产技术）而言，碳纳米管是卷成无缝空心圆柱体的石墨烯片 - 具有蜂窝几何形状的碳原子平面网络。纳米管可以是单壁或多壁的，并且具有不同的长度、直径和手性，即蜂窝图案的“位移”程度。碳纳米管的特性根据列出的参数而有很大差异。例如，它们的电导率取决于手性。碳纳米管根据其预期用途以粉末、薄膜、纤维或其他形式生产。

由于其独特的机械、电学、光学和热性能，碳纳米管可用于多种产品和技术——从耐磨汽车轮胎和风力涡轮机叶片的复合材料到柔性触摸屏和锂离子电池组件。薄膜形式的单壁碳纳米管最常用于制造柔性、弹性、可穿戴和透明的电子和光学系统和设备，例如激光器、LED、显示器、太阳能电池、电缆、晶体管、机械、化学和光传感器、气体和液体过滤器、抗静电涂层甚至药物输送车辆。

薄膜单壁碳纳米管和大多数其他形式的碳纳米管的主要生产技术是化学气相沉积 (CVD)，它可以通过多种方式完成，即同一基本工艺的变体。作为生产薄膜的技术选择之一，使用气溶胶CVD，这使得一步获得纳米管成为可能。

将气态碳原料流（碳氢化合物、一氧化碳、乙醇等）以及催化剂前体（最常见的是铁纳米颗粒的前体，例如二茂铁）送入高温反应器中。当暴露于高温时，催化剂前体分解成催化纳米颗粒并发生碳源分解。碳沉积在颗粒表面，形成半球形富勒烯“帽”，并开始形成纳米管。在反应器的出口处，纳米管同时被过滤，在过滤器表面形成二维网络——SWCNT薄膜。

“碳源的选择是根据纳米管性能的要求来决定的。例如，使用一氧化碳，可以获得高质量的纳米管，尽管数量非常有限，但仍然适合用于光学和电子学。”该研究的作者之一、斯科尔理工学院的高级讲师德米特里·克拉斯尼科夫（Dmitry Krasnikov）说道。

为了克服这个问题，研究人员通常使用生长促进剂，即引入 CVD 反应器中的其他化合物，以加速纳米管生长并提高催化活性和/或延长催化剂的寿命。通常，硫化合物、弱氧化剂如二氧化碳或水以及额外的碳源被用作生长促进剂。然而，这些选项都有其缺点。

“当前的解决方案并未显着提高一氧化碳合成的效率。使用二氧化碳时，生产率可以提高两到三倍，而使用一氧化碳时，即使添加硫也无法达到预期的效果。”该研究的主要作者、Skoltech 研究生伊利亚·诺维科夫 (Ilya Novikov) 指出。成功通过了关于纳米管合成的论文答辩。

“我们将氢视为一种可能的生长促进剂。先前的工作发现，将氢气引入一氧化碳环境中可以引发额外的反应，与Boudoir反应并行，[一氧化碳歧化成二氧化碳：CO + CO→C + CO2 - CO氢化：CO + H2 → C+ H2O]形成碳。我们得出的结论是，这样的解决方案可以在我们的案例中发挥作用。”

作者仔细研究了氢对单壁碳纳米管合成效率的影响，并研究了所得纳米管的性能，发现氢浓度为 10%（体积）时，合成生产率提高了 15 倍，且结构没有任何恶化。纳米管作为透明导体的特性和性能。

“通过使用光谱学和电子显微镜研究了纳米管生长技术，并详细研究了该过程的热力学，我们得出的结论是，由于一氧化碳的氢化而取得了如此显着的成果，”说Skoltech纳米材料实验室负责人Albert Nasibulin教授。

“此外，为了详细解释氢气对该过程的影响，我们研究了纳米管合成的不同温度范围以及不同水平的氢气浓度，”克拉斯尼科夫补充道。“出乎我们自己意料的是，我们发现了两种不同的现象：在低温下，氢气提供了催化活性（参与催化的铁颗粒的活性）显着增加，从而显着增加了输出处的管数，而在高温下，它加速了纳米管的生长，从而生产出具有更高薄膜电导率的更长纳米管。”

“因此，这项研究同时解决了两个重要问题。一方面，合成效率显著提高，这显着扩大了使用基于一氧化碳的气溶胶CVD工艺的可能性，使该方法更接近于工业规模生产纳米管。另一方面，在这项工作中，我们能够揭示基于一氧化碳歧化的纳米管生长的基本机制，这对于更深入地理解整个纳米管的 CVD 合成过程极其重要。”结论中的注释。

文章来源： 数据宝，普朗鸣，石墨烯联盟