中國粉體網訊 自Iijima教授在20世紀末期從透射電子顯微鏡發現以來，單壁碳納米管（SWNTs）便成為一種熱點居高不下的明星材料，人們都希望通過它來開創21世紀電子器件的新時代。
單壁碳納米管的性能及應用
眾所周知，碳納米管（CNT）和石墨烯擁有超高的相似程度，如果我們將單層石墨烯進行一定角度的彎曲，從示意圖上就可以看成是SWNTs。SWNTs擁有極小的直徑，范圍在0.6-2nm之間，最小的直徑可達到0.4nm左右。
單層石墨烯卷曲成CNT的解析圖
碳納米管具有可以自由進入細胞的極小尺寸，其獨特的結構，使其具備了超強的力學性能、極高的載流子遷移率、可調節的帶隙、優異的熱學性能、光電特性、穩定的化學特性等。碳納米管結構上的微小差異，會導致性質上的巨大不同，由于單壁碳納米管家族龐大，不同手性結構的單壁碳納米管能帶結構各異，為各種應用提供了多種選擇。碳納米管集各種優異性質于一身，使其在工程材料、電子器件、儲能領域、光探測器、生物醫藥等方面具備了廣闊前景，在以上應用領域具有很大優勢。
半導體性碳納米管是直接帶隙半導體材料，由于其一維的限域效應，具有分裂的子能帶，在光照條件下的光致發光現象使之可以用于生物成像。同時，碳納米管具有極小的尺寸，可以自由進出細胞，對其表面進行修飾后，也可攜帶藥物實現納米藥物治療。
力學性質方面，碳納米管的楊氏模量十分出眾，理論模擬顯示單壁碳納米管楊氏模量基本可達到1TPa。這種媲美金剛石的力學性能主要歸結于碳原子間極強的C-C鍵。盡管其剪切模量稍低，但通過交聯可以克服這一問題。甚至，碳納米管可以紡織成強度堪比凱夫拉纖維的高強度纖維，同時還能保持很高的柔韌性。
熱學性質上，單根碳納米管具有極高的熱導率，其室溫下的理論值高達6000 W/mK。盡管不同方式制備的碳納米管宏觀體導熱性質存在較大差異，但碳納米管的理論熱導率遠高于此前已知的熱導性能最好的材料（金剛石熱導率約3300 W/mK）。因此，碳納米管宏觀體作為熱電材料的前景也很廣闊。
單壁碳納米管中電子遵循彈道輸運而避免了聲子散射，使之具有很好的載流子遷移率和柵控特性，室溫下碳納米管的載流子遷移率高達106cm2/Vs，開關比高達106。此外，相對于傳統的硅基半導體材料，半導體碳納米管是直接帶隙半導體，無需化學摻雜便能制備高性能的n型和p型晶體管，適于制備高速、低功耗的全碳電子器件。未來制備的三維全碳芯片或將有望取代硅基芯片。
碳納米管在儲能器件方面也具有廣闊的應用前景。在鋰離子電池方面，可作為導電劑，大幅提高首次放電容量。同時，其可逆容量高達700mAh/g，遠高于石墨。碳納米管作為鋰電池陽極時的可逆鋰離子儲存能力是石墨陽極的4倍以上。利用碳納米管二維宏觀體制備的超級電容器同樣性能優異，具有高能量密度和高循環穩定性，循環13000次以上，性能衰減僅2%左右。
碳納米管優異的光電特性，使其在高性能太陽能電池中應用前景廣闊。碳納米管是直接帶隙半導體材料，具有極高的載流子輸運效率，對于提高太陽能電池的光電轉換效率具有重要意義。
SWNTs的性能及其主要應用
（圖源：蘇言杰：高質量單壁碳納米管的生長調控與特性研究）
單壁碳納米管產業化現狀
2020年，全球著名單壁碳納米管制造商OCSiAl宣布，經過2019年的試產，年產能50噸的單壁碳納米管合成設備Graphetron 50正式落成投產。隨著Graphetron 50設備的正式投產，OCSiAl的單壁碳納米管兩條生產線年總產能達到75噸。OCSiAl宣稱其單壁碳納米管產能在全球所占份額已超過90%。
2021年6月，曲靖飛墨科技有限公司年產50噸單壁碳納米管項目正式開工建設。
2022年，天奈科技曾發布公告稱，擬投資建設年產450噸單壁碳納米管項目，總投資約12億元，項目計劃分三期建設，每期建設年產150噸單壁碳納米管，合計年產450噸單壁碳納米管。
2022年底，天奈科技研發高級總監寧國慶在接受媒體采訪時指出，單壁碳納米管屬于碳納米管生產領域的一顆皇冠，不過現在已經處于量產的前夕，應該很快就會有單壁碳納米管量產產品出來。
2023年2月27日，四川自貢市與無錫東恒新能源科技有限公司舉行單壁碳納米管項目簽約儀式。該項目計劃總投資10億元，新建年產300噸單壁碳納米管生產線。據媒體報道，項目建成滿產后，將成為國內最大的單壁碳納米管生產基地。
2023年4月，證券時報發文稱，由于單壁碳納米管的工業化時間短，目前全球單壁碳納米管產能不足百噸。雖然國內報道的擬建、在建項目的單壁碳納米管年產能已超過800萬噸，但是基本上都處于產能未釋放的狀態。目前全球單壁碳納米管量產依然是OCSiAl一家獨大。
單壁碳納米管面臨的難題
過去的三十多年里，盡管在SWNTs大量制備及其生長調控方面已經取得了許多重大進展，但至今仍有許多科學問題沒有得到很好的解決，比如SWNTs的生長機理、可控性制備、高效-低成本制備技術等等。無論是從研究SWNTs基本性質還是將SWNTs應用于工業化生產來看，當前的SWNTs研究都要面臨以下兩方面的難題。
第一，開發出高效、低成本、大規模的SWNTs制備技術。盡管當前SWNTs工業化生產已經實現多年，但其生產成本居高不下。其根本原因在于，一方面催化劑催化效率不高，導致SWNTs樣品含有大量雜質需經過后續提純方可使用；另一方面，對SWNTs制備過程中的工藝參數還有待進一步優化，尤其是利用電弧放電法制備SWNTs時，如何進一步提高SWNTs制備效率和產率仍然是SWNTs制備領域的一項重要課題。
第二，實現對SWNTs手性和直徑的精確調控。大部分樣品是由多種具有不同直徑和手性的SWNTs組成的，它們之間相互纏繞，難以分離，由此導致SWNTs基器件的性能隨制作批次不同而出現較大的波動，從而阻礙了其在微納器件上的大規模應用。另外，從SWNTs電學性能上看，金屬性與半導體性SWNTs共存大大降低了SWNTs基納電子器件的電學性能。
小結
單壁碳納米管自從被發現以來，其獨特的電子結構、機械性能和物理化學性能以及在科研和工業技術領域潛在的應用價值，使得人們對碳納米管的研究顯示出極大的熱情。雖然單壁碳納米管的制備技術已經有了很大的改進，但是成品的碳納米管仍是各種直徑、各種手性、金屬性和半導體性的碳納米管混合物。而且單壁碳納米管間的范德華力，使其容易聚集成束或纏繞在一起，這些都嚴重制約了碳納米管的應用。因此研究單壁碳納米管的分散、分離就顯得尤為重要。
參考來源：
蘇言杰：高質量單壁碳納米管的生長調控與特性研究，上海交通大學
楊德華：單壁碳納米管手性結構的高分辨宏量分離制備研究，中國科學院物理研究所
史運華：單壁碳納米管的分散與分離方法研究，北京化工大學
證券時報、電池中國、封面新聞、中國粉體網。
（中國粉體網編輯整理/平安）
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