碳纳米管的批量制备和应用
碳纳米管的批量制备和应用
碳纳米管具有奇异的物理化学性能，如独特的金属或半导体导电性、极高的机械强度、储氢能
力、吸附能力和较强的微波吸收能力等，90 年代初一经发现即刻受到物理、化学和材料科学界
以及高新技术产业部门的极大重视。应用研究表明，碳纳米管可用于多种高科技领域。如用它
作为增强剂和导电剂可制造性能优良的汽车防护件；用它作催化剂载体可显著提高催化剂的活
性和选择性；碳纳米管较强的微波吸收性能，使它可作为吸收剂制备隐形材料、电磁屏蔽材料
或暗室吸波材料等。碳纳米管被认为是一种性能优异的新型功能材料和结构材料，世界各国均
在制备和应用 方面投入大量的研究开发力量，期望能占领该技术领域的制高点。
我所于 1996 年开始碳纳米管的制备研究，1998 年得到中科院院长基金的特别支持，之后又
“ ”参与了国家创新工程重大项目 碳纳米管和其它纳米材料 的研究工作。到目前已取得了一系列
阶段成果，如开创了碳纳米管沸腾床和移动床催化裂解制备技术，为大规模制备碳纳米管探出
了新路子；探索了碳纳米管用作催化剂载体、锂离子电池负极材料和电双层电容电极材料的可
能性；首次提出将碳纳米管用作微波吸收剂，并发现了碳纳米管的宽带微波吸收特性；在制备
设计尺寸的碳纳米管方面也有了积极进展。
一、 碳纳米管的批量制备
碳纳米管要实现工业应用，首先必须解决碳纳米管的低成本大量制备问题。碳纳米管自 1991
年被发现以来，其制备工艺得到了广泛研究。目前，有三种主要的制备方法，即电弧放电法、
激光烧蚀法和固定床催化裂解法。电弧放电法和激光烧蚀法制得的产物中，碳纳米管均与其他
形态的碳产物共存，分离纯化困难，收率较低，且难以规模化。第三种固定床催化裂解法由天
然气制备碳纳米管具有工艺简便、成本低、纳米管规模易控制、长度大、收率较高等优点，有
重要的研究价值，但该方法中催化剂只能以薄层的形式展开，才会有好的效果，否则催化剂的
利用率就低，因而产量难以提高。
沸腾床催化裂解反应工艺气固接触良好，适合处理大量固体颗粒催化剂，用沸腾床催化裂解
法代替固体床催化裂解法可大幅度提高碳纳米管的制备量。
在沸腾床催化裂解反应器中，原料气体以一定的流速通过气体分布板，将气体分布板上活化
“ ” “ ”了的催化剂 吹成 沸腾 状态。催化剂颗粒一直处于运动之中，催化剂颗粒之间的距离要比固
定床中催化剂颗粒之间的距离大得多，催化剂表面上易生长出直的碳纳米管，又因催化剂颗粒
之间的相互碰撞，碳纳米管容易从催化剂表面脱出。这两种作用的结果保证了直而开口率高的
碳纳米管的形成。同时沸腾床中催化剂的量可以大量增加，原料气体仍能与催化剂表面充分接
触，保证了催化剂的高利用率。
尽管沸腾床催化裂解法在碳纳米管的批量制备上有了较大突破，但与碳纳米管所有的现有制
备方法一样，只能间歇操作，不利于低成本大批量碳纳米管的制备。
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问题和催化剂与产物及时导出
的问题。这们的研究表明，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。
连续制备碳纳米管是通过如下过程实现的：在封闭的移动床催化裂解反应器中，经过还原处
理的纳米级催化剂通过喷嘴连续均匀地布洒到移动床上，移动床以一定的速度移动。催化剂在
恒温区的停留时间可通过控制移动床的运动速度加以调节。原料气的流动方向可与床层的运动
方向一致也可相反。原料气在催化剂表面裂解生成碳纳米管。当催化剂在移动床上的停留时间
达到设定值时，催化剂连同在其上生成的碳纳米管从移动床上脱出进入收集器，反应尾气通过
排气口排出。
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，可望大幅度降低生产成
本，为碳纳米管的工业应用提供保证。
二、碳纳米管的应用研究
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碳纳米管的批量制备和应用碳纳米管具有奇异的物理化学性能，如独特的金属或半导体导电性、极高的机械强度、储氢能力、吸附能力和较强的微波吸收能力等，90年代初一经发现即刻受到物理、化学和材料科学界以及高新技术产业部门的极大重视。应用研究表明，碳纳米管可用于多种高科技领域。如用它作为增强剂和导电剂可制造性能优良的汽车防护件；用它作催化剂载体可显著提高催化剂的活性和选择性；碳纳米管较强的微波吸收性能，使它可作为吸收剂制备隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料等。碳纳米管被认为是一种性能优异的新型功能材料和结构材料，世界各国均在制备和应用方面投入大量的研究开发力量，期望能占领该技术领域的制高点。我所于199...
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作者：闻远设计
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