中國粉體網訊  碳納米管是上世紀九十年代初被發(fā)現(xiàn)的一種一維納米碳材料，具有優(yōu)異的機械性能、導電性能、導熱性能和化學穩(wěn)定性。目前，碳納米管在導電塑料、結構塑料中作為導電劑、增強劑已經得到了廣泛應用。此外在儲氫材料、化合物合成非貴重金屬催化劑制備、高強高韌復合陶瓷制造、醫(yī)療細胞毒性分析檢測技術、潤滑油制造、水泥應用等領域的研究也都在穩(wěn)步進行。

在鋰離子電池領域，碳納米管可以發(fā)揮重要作用。例如，它可以作為正極材料的導電劑使用。傳統(tǒng)的電池正極導電材料是導電炭黑和導電石墨，相比碳納米管，這兩類材料的導電率相對較低，作為導電材料的添加量都比較高。碳納米管的導電率優(yōu)于這兩種材料，在電池正極中的添加量少，相對使正極活性材料含量增加，從而可以提高電池容量。另外，碳納米管還可以作為鋰離子電池負極材料。碳納米管具有很高的強度，高電導率和相對惰性等理想特性。它的形態(tài)使它特別適合替代石墨作為商用鋰離子電池負極材料。碳納米管不僅具有比石墨更高的容量，并且它還可用作支撐基質，以形成新型的碳納米管和金屬復合材料。不過，碳納米管粉體在實際應用中需要解決雜質問題。

1、碳納米管的制備

碳納米管最早是通過石墨電弧放電法制備得到，之后隨著研究的深入，人們探索了多種制備碳納米管的方法，如電弧放電法、激光蒸發(fā)法、催化熱解法、固相熱解法、電化學法和火焰法等，這些方法通過施加各種形式的外加能量，先將碳源分解為原子或離子形式，然后再凝聚得到一維結構的碳納米管。目前，碳納米管的制備方法主要有三種，即電弧放電法、激光蒸發(fā)法和化學氣相沉積法，電弧放電法和激光蒸發(fā)法可制備高質量碳納米管樣品，不過這兩種方法不適用于大規(guī)模商業(yè)化制備。化學氣相沉積法的可控性較強，成本低、產量大，是可以實現(xiàn)規(guī)模化制備的方法。

電弧放電法裝置簡圖

激光蒸發(fā)法裝置簡圖

化學氣相沉積法制備碳納米管工藝流程框圖

化學氣相沉積法制備碳納米管裝置原理圖

2、碳納米管為什么需要提純？

工業(yè)生產碳納米管的主流技術是化學氣相沉積法，該法制備碳納米管需要使用催化劑，并且制備的碳納米管具有不完善的石墨晶體結構，存在許多缺陷，所以它的許多性能達不到理論計算預測值。由于需要金屬催化劑，所以化學氣相沉積法生產的碳納米管坯料中通常含有百分之幾的金屬元素，這些金屬主要是鐵、鈷、鎳、鉬等，對于鋰電池，一般要求這些金屬含量小于幾十ppm，所以應用于鋰離子電池的碳納米管粉料需要提純處理。

3、碳納米管提純方法有哪些？

碳納米管的提純方法可以分為兩類：物理純化法和化學純化法。

物理純化法是基于碳納米管與雜質在形狀、尺寸、溶解度、重力和磁性等物理性質的差異，利用超聲波降解、離心、過濾、沉積、凝膠滲透色譜法、電泳、高溫（1400~2800℃）退火等物理技術將碳納米管從雜質中分離出來，從而達到純化目的。

化學純化法是基于碳納米管和無定形碳、催化劑粒子等雜質的化學性質存在差異，通過選用氣相刻蝕劑或液相氧化劑選擇性去除無定形碳、催化劑等雜質的一種分離方法。根據(jù)選用的氧化劑不同，化學純化法可分為氣相氧化法、液相氧化法和電化學氧化法。

物理純化法可有效去除孤立的碳納米顆粒、石墨片等雜質，但提純效率低、產率低；化學法可有效去除高活性的無定形碳、易溶于酸中的金屬顆粒等雜質，但很難除去高穩(wěn)定性的石墨顆粒。因此，也有研究者結合物理法和化學法的優(yōu)勢，提出一些綜合性提純法。

4、用艾奇遜爐提純碳納米管

化學提純可以減少碳納米管中的金屬含量，使之達到鋰離子電池應用的標準，這是目前碳納米管工業(yè)普遍使用的方法，但是化學提純方法對環(huán)境污染很大，受到國家政策的嚴格限制，所以許多碳納米管生產廠家都在考慮轉用高溫提純碳納米管。高溫提純碳納米管工藝是在高溫負壓設備中進行，在負壓條件下，碳納米管中的金屬元素的沸點一般在2000~2600℃，提純的碳納米管中的金屬含量可以降低到0.02%~0.01%。一般負壓提純設備價格昂貴，一次處理碳納米管數(shù)量少,不適于大規(guī)模提純碳納米管。艾奇遜爐是一種高溫窯式石墨化爐，可在大氣環(huán)境下工作，工作溫度可達3000℃，被用于工業(yè)制造人造石墨已有100多年歷史。艾奇遜爐容量可以做得很大，是大批量低成本生產人造石墨的理想爐型。

目前艾奇遜爐是生產鋰離子電池石墨負極的主要窯爐。碳納米管坯料中一般含金屬氧化物、非金屬氧化物，其中金屬氧化物包括氧化鐵、氧化鎳、氧化鈷、氧化鎂、氧化鋁、氧化鋯、氧化稀土等，非金屬氧化物主要是二氧化硅。理論分析表明利用艾奇遜爐高溫處理碳納米管坯料可以去除這些雜質。艾奇遜爐的內部工作氣氛是以一氧化碳為主的還原性氣氛，在這種氣氛和溫度條件下，上述氧化物都將被還原成單質，這些單質的沸點都低于2800℃，所以用艾奇遜爐可以有效去除碳納米管中的雜質，使碳納米管純度達到電池級別要求。

研究人員用艾奇遜爐在不同溫度條件下對碳納米管進行提純，研究表明，當提純溫度為3000℃時，碳納米管的石墨化程度大幅提高，導電率提高；提純溫度低于2800℃時，碳納米管石墨化程度變化不大，但電阻率增加。高溫提純可以減少碳納米管表面含氧官能團。

參考來源：

汪凱.單壁碳納米管的純化研究

李磊，等.碳納米管在鋰離子電池中的應用綜述

陳隆波，等.用艾奇遜爐在不同溫度提純碳納米管

鐘良偉，等.艾奇遜爐提純碳納米管的組織結構性能表征

（中國粉體網編輯整理/文正）

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