北大《J. Am. Chem. Soc》：综述-搭建碳纳米管从纳米结构到宏观应用的桥梁

成果简介

本文，北京大学张锦团队在《J. Am. Chem. Soc》期刊发表“Building a Bridge for Carbon Nanotubes from Nanoscale Structure to Macroscopic Application”综述，总结和分析了CNTs材料在各个领域的研究现状，从成熟的技术到潜在的产业，包括储能、电子、机械和其他应用。针每种应用，将CNTs的固有性质与其聚集体的实际性能进行比较，以找出CNT合成中的关键问题。最后，对CNT从纳米尺度到宏观应用进行了展望，为CNT的实际应用提供了一些启示。

图文导读

图1. 搭建碳纳米管从纳米级结构到宏观应用的桥梁。

2.1、碳纳米管用于储能

作者总结了CNT在储能系统中的作用，用于添加剂，以及从单一的CNT到CNT产业的研究进展。

图2. 碳纳米管在储能系统和碳纳米管大规模生产过程中的应用。

图3. 碳纳米管在储能中合成和组装的关键点。

2.2、碳纳米管用于电子行业

基于CNT的电子学研究正不断取得突破性进展，包括场效应管、逻辑电路、射频器件、薄膜晶体管、光电子学、传感器等。CNT水平阵列和薄膜都是电子应用的重要集合体。为了提出CNT在下一代集成电路中潜在的杀手级应用，研究人员集中总结了基于水平阵列的器件，其中CNT起着不可替代的作用，主要包括：i）CNT基数字和射频电子器件；ii）从单个CNT到水平排列的CNT阵列；iii）CNT材料在电子领域的潜在应用。

图4、 从单管器件到 CNT 芯片的材料合成关键点。

2.3、碳纳米管用于机械应用

CNT由于具有极强的碳-碳共价键和无缝的圆柱状石墨结构，因此具有优异的力学性能。理论上，CNT同时具有高强度（100−200 GPa）、高模量（1−2 Tpa）和高断裂应变（>15%）。然而，实验室上，很难同时实现这些高的力学性能，尤其是在宏观尺度上。这主要是由于碳纳米管的缺陷，因此控制合成极具挑战。具有完美结构的超强超长CNT的抗拉强度可达到200 GPa。单个CNT优异的力学和物理性能促使研究人员开发基于CNT的高性能宏观结构，如碳纳米管纤维（CNTFs）。

图5. 从单个CNT到CNTF的合成和组装关键点以及CNTF的潜在应用。

2.4. 碳纳米管的其他应用

CNT具有许多出色的性能，在电磁屏蔽、热管理等领域得到了广泛的应用。传统的电磁屏蔽复合材料大多密度高，耐高温、耐腐蚀性能差等缺点。而CNT结构具有可调、质量轻、导电性好等特点，因此，通过添加CNT可以缓解电磁屏蔽复合材料的缺点。此外，CNT的另一个潜在应用是作为热界面材料（TIM），其应用于两个界面之间，实现连续良好的散热。

小结与展望

总之，对碳纳米管的研究已经渗透到与日常生活和军事相关的许多不同领域。在储能领域，碳纳米管的生产和应用是一个比较成熟的产业。考虑成本和性能的CNT组装优化和大规模生产中的技术问题可能是最重要的问题。然而，碳纳米管在储能中的作用实际上是作为一种添加剂，无法充分发挥其优异的性能。在电子领域，单壁碳纳米管在实验室研究中表现出色，显示出对未来工业的广阔前景。所需单壁碳纳米管阵列的可控合成和大规模生产是亟待解决的问题。碳纳米管纤维，电磁屏蔽，和热界面材料是碳纳米管将发挥重要作用的其他潜在领域。CNT 聚集体的合适组装和调节将促进它们在实际应用中的进展。

图6. 从单个CNT到CNT聚合体，最后到应用的属性转移的“IDEA”策略。

因此，应该优化管之间的相互作用、聚集体的域、必要的外部引入以及碳纳米管的组装结构，以实现从纳米管到宏观聚集体的更好的性能转移，这就是所谓的“IDEA”策略. 当为特定应用构建 CNT 聚集体或为未来行业优化当前 CNT 材料时，“IDEA”策略提供了方向。通过搭建碳纳米管从纳米级结构到宏观应用的桥梁，或许有一天会呈现一个全新的碳时代。

文献：https://doi.org/10.1021/jacs.1c08554