我国碳纳米管发展及应用

文/韦东远

我国碳纳米管发展及应用

文/韦东远

碳纳米管又称巴基管（Carbon Nanotube），隶属于一种具有特殊结构（径向尺寸为2—20nm量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料，主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。碳纳米管按石墨烯片层数可分为单壁碳纳米管（Single-walled nanotubes，SWNTs）和多壁碳 纳 米 管 （Multi-walled nanotubes，MWNTs），由于碳纳米管具有独特的金属和半导体导电性、极高的机械强度、贮氢能力、吸附能力、较强的微波吸收能力，因而被认为是纳米材料中的“乌金”，在高科技领域已逐步获得应用，并显现出巨大的潜在商用价值。

国外碳纳米管发展动态

1991年，自日本NEC公司基础研究实验室电子显微镜专家饭岛（Iijima）在高分辨透射电子显微镜下，检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了碳纳米管以来，全球的科学家对碳纳米管的研究不断深入，其应用领域也不断拓展。步入21世纪，伴随碳纳米管产业化制备技术的成熟，在复合材料、电子、场发射组件、能源／资源、量测／仪器、生物医药及平台等七个重点领域广泛的应用，已引起各国的高度关注。

1.碳纳米管产业发展远景看好

以往，由于碳纳米管制备工艺技术及成本等的问题，使得碳纳米管产业化应用受到较大的制约。但是，近年来随着碳纳米管工艺技术水平的逐年提高，碳纳米管的生产成本大幅降低。

当前，国际市场高纯度碳纳米管价格已在50美元/克以下，纯度稍低的多壁碳纳米管价格已接近10美元/克。在碳纳米管相对优势的价格下，各国投资者极为看好碳纳米管未来的产业应用前景，并在材料制备和应用方面纷纷投入大量研发资金及科技力量。其中，日本已有300多家相关企业致力于碳纳米管产业技术研发，期望抢占此技术领域制高点，进而加速碳纳米管的商业应用进程。

据美国商务部市场调查机构BCC统计数据，在复合材料、电子材料、能源材料等领域中，2007年全球碳纳米管市场产值达到7 910万美元；2009年的产值已经接近3亿美元，预计2011年的产值将超过8亿美元，年均复合增长率达38.7%。由此可以推测，全球碳纳米管未来几年的市场需求将出现迅速增长，全球碳纳米管的产量将达到数千吨的规模，产值将达数十亿美元，与其相关产品的产值将达数百亿美元。

2.碳纳米管应用优势领域凸显

目前，伴随世界各国对碳纳米管应用领域研究的日益深入，电子、场发射与复合材料领域的应用潜力已逐步显现出来。在日本《第八次科技预测》中研究发现，基于碳纳米管的优势特性，特别是碳纳米管在信息、生命科学、资源环境等领域应用所显示的特性，从而使得碳纳米管未来在半导体的应用上将扮演重要角色，但可否完全有效取代Si的应用地位，已引起科学家的高度关注；同时，在生物医学、能源及资源等领域的应用，已成为世界各国追求纳米材料工业化发展进程的重要热点。

3.碳纳米管环境影响引起关注

近年来，在纳米生物效应及安全性备受关注的情形下，碳纳米管材料对环境的影响逐渐受到重视。当碳纳米管进入生命体后，是否对生命体产生潜在的影响，成为科学研究前沿中最热门的主题之一。尽管美国学者发现碳纳米管在小鼠肺部、果蝇体内产生了潜在毒性，英国、澳大利亚等科学家发现长期暴露在碳纳米管环境中的小鼠，出现了免疫系统失调症状，法国国家科学研究中心研究环境中碳纳米管接触小鼠肺部及人体巨噬细胞后所引起的反应，但碳纳米管对生命体的潜在影响，尚无确切的定论。

我国碳纳米管发展动态

碳纳米管的研发与应用，诠释了纳米技术与纳米材料的未来发展远景。世界各国对碳纳米管发展的关注，极大地助推了我国碳纳米管研发与应用的探索进程。

1.碳纳米管制备技术的日益成熟

当前，国际上技术领先的国家关于碳纳米管的研究，主要集中于生长工艺、生长机理、结构分析、材料特性等方面。我国在碳纳米管制备与应用领域，以中国科学院、清华大学、北京大学等为代表的科研院所、高等院校，在大面积定向超长碳纳米管阵列生长技术上已逐步实现突破。

其中，中科院化学所以离子液体为介质，成功制备再生纤维碳纳米管复合纤维；以超临界流体技术，制备出我国首个纳米场效应晶体管；同时，以“气流波动化学气相沉积法”可控制备分支结构碳纳米管阵列，并可调控其各部分化学组成，同时实观以不同衬底可控制备铁填充碳纳米管；大连化学物理所证实了碳纳米管的束缚效应，进而发现了碳纳米管独特催化性能。另外，西安交通大学制备的场发射平板显示器样管，已实现连续无故障工作700小时的记录。我国碳纳米管制备技术的突破，加速了碳纳米管的产业化历程。

2.碳纳米管相关研究水平逐步提升

据Thomson Reuters统计数据，截至2009年3月，Web of Science数据库中1900年以来关于碳纳米管论文数量已达39 692篇。其中2008年全球论文数量为7 562篇，我国论文数量为1 901篇，占总量的25.14%。因此，我国在碳纳米管领域的基础研究水平，已居于全球领先水平的行列。

在世界前10大论文发表国的百分比中（见下图），美国在碳纳米管的论文数量上位居全球首位，在论文的平均引用率（CPP）上全球最高。可见，美国在论文的数量、品质方面，均居于全球领先地位。我国论文发表数量位居世界第二，达到4 165篇，但论文品质却低于全球平均被引用率20.7。不过，我国碳纳米管的发展在整体水平上已实现了较大的突破，为未来我国碳纳米管在信息显示与存储、微机械与执行器、能源、材料、纳米电子学等诸多领域的应用，奠定了坚实的研究基础，同时也为碳纳米管的产业化规模发展提供了良好的技术储备。

图 2009年碳纳米管前10大论文发表国家论文品质比较

3.碳纳米管规模化发展尚需突破关键技术与设备的制约

目前，美国、日本等发达国家的碳纳米管厂商，在碳纳米管的批量化制备技术及相关设备方面一直处于全球领先水平。2009年，美国拜耳科技公司碳纳米管量产规模已超200吨/年，3000吨/年的生产线处于再建之中。日本“昭和、电工”两厂商依靠自主设备，开发的面向树脂复合材料的多层碳纳米管产品“VGCF-X”，年度量产规模已达400吨/年。

我国碳纳米管的发展与发达国家相比较还存在较大的差距。一是碳纳米管的批量化制备技术有待突破。当前常用的包括“石墨电弧法、浮动催化法（即碳氢化合物催化分解法，又称CVD法）、激光蒸汽法、辉光放电法和气体燃烧法”等多种制备方法，鉴于各自的特点，碳纳米管制备在纯度、质量、能耗以及分离技术等方面，距实现大批量、规模化制备还具有较多的关键技术尚待突破，尤其是面向产业化的批量化制备技术还需要进一步研发。二是碳纳米管制备的核心设备受到严重制约。如美国的拜尔、日本的昭和、电工等均已开发出自主知识产权的核心设备，并严格控制且不向外出口。我国碳纳米管的制备设备绝大多数依赖从国外引进，设备相关设计、制造的核心技术、内部主要耐高温材料、控制系统及软件系统均受控于国外厂商。可见，从设备发展的整体技术水平看，有待攻克设备的集成制造技术难关。

发展碳纳米管的对策及建议

目前，伴随碳纳米管应用领域的不断拓展，特别是电子信息、能源等领域的应用，已显现出巨大的市场潜力。为推进我国碳纳米管的发展与应用，提出如下发展建议。

1.探索批量化制备技术，实现规模化应用

据有关机构研究，全球纳米材料厂商仅有 Baytubes（拜尔）、Showa（昭和）、Arkema（阿科玛）、Thomas Swan、Nanocyl等几家拥有碳纳米管批量制备技术。我国南风集团与清华大学共同开发纳米聚团床反应器制备碳纳米管生产技术，已实现120t/a的生产能力，但从碳纳米管未来市场需求看，目前产能难以满足未来的商业需求。为此，应大力推进碳纳米管制备技术的深入研究，开发低成本碳纳米管批量化制备技术，组织碳纳米管工业化生产和应用研究，打破制约碳纳米推广应用的“瓶颈”，使碳纳米管技术真正进入大规模研发推广阶段，从而推进碳纳米管的产业化应用。

2.增进技术的深度探索，拓展新兴应用商机

伴随碳纳米管在材料、微机械与执行器、纳米电子学、能源、信息显示和存储等方面应用研究的不断深入，其应用的深层次探索引起业界高度关注，但是由于为晶体管所研发的聚合物有机物质迁移率仍相当低，严重制约了碳纳米管的更多应用潜能。为推进碳纳米管的应用，未来应在碳纳米管的电磁吸收特性、电化学性以及催化特性等方面作深入的研究。特别是在影响碳纳米管电化学性的尺度特性、表面基团、电极成型压力以及电解液等方面，进行更为系统深入的研究，进而加速碳纳米管的商业化进程。

据有关预测，碳纳米管未来电子领域的应用将是透光导体，包括在显示器应用中取代铟锡氧化物（1T0）、触控屏幕、太阳能电池，以及连接TFT与前端面板（如0LED的显示器总线）等；另外，碳纳米管在薄膜半导体与导体的应用，还涵盖太阳电池与显示器的透明电极、脉冲雷射的饱和吸收体，以及场效晶体管半导体薄膜等。总之，碳纳米管材料提炼、组件制造技术的不断突破，将更加凸显出高性能、高弹性、透明且可印刷的优势特性，更加深入的拓展碳纳米管的潜在应用商机。

（作者单位：中国科学技术发展战略研究院）