新兴空间简介：碳纳米管

Ali Javaheri新兴技术分析师ali.javaheri@pitchbook.com 最初发表于2024年1月18日 Overview 趋势公司 碳纳米管(CNT)是卷成圆柱形管的石墨烯的纳米级片材。CNT具有特殊的特征和能力，其中一些类似于石墨，而另一些则来自其管状的一维形状。根据它们的特定结构，CNT可以表现得像金属或半导体，这是电子设备中的关键。特别地,金属CNT可以比诸如铜的普通金属更好地导电超过1000x。它们具有独特的导电方式，使其具有极高的效率和移动性，超过了许多标准半导体。 CNT比钢坚固得多，并且比金刚石更好地传导热量。它们还具有相对于它们的尺寸非常高的表面积,这使得它们相当轻且坚固。CNT也是高度稳定的并且可以抵抗大多数化学反应,除非它们暴露于高热和氧气。这些特性使CNT具有广泛的应用，包括各种电子元件，传感器，电池和防电材料。1 背景 CNT的历史是发现和辩论的挂毯。该材料的起源可以追溯到1952年，当时苏联科学家L.V.Radushkevich和V.M.Lukyanovich发表了纳米尺寸碳管的图像，尽管由于西方同事对苏联科学研究的有限，这项早期工作在很大程度上被忽视了。2“碳纳米管”一词是由SumioIijima在1991年，当他在电子显微镜下观察到针状碳结构时，他将其鉴定为多壁碳纳米管。1993年不久后发现了单壁变体。碳纳米管独特电性能的理论预测和随后的实验确认推动了浪涌在研究和潜在的工业应用中，使它们成为纳米技术和材料科学的基石。3 技术和流程 碳纳米管的类型 单壁和多壁碳纳米管是两种主要类型的CNT,第三种类型是较不常见的双壁CNT。 单壁碳纳米管（SWNT）：这些纳米管由单层石墨烯卷成圆柱形组成。它们以其卓越的电性能而闻名，这些电性能可以根据其几何形状和直径从金属到半导体变化。SWNT通常具有约1至2纳米的直径。由于其均匀的结构，它们提供高纵横比和出色的机械强度，使其成为纳米电子，传感器和各种复合材料应用的理想选择。4 多壁碳纳米管（MWNT）：这种类型的纳米管由多层石墨烯组成，每一层围绕另一层形成同心管，类似于一组嵌套圆柱体。它们通常具有7至100纳米的直径。与SWNT相比，MWNT的热导率和电导率增加是众所周知的，但它们的均匀电子特性较少。它们的多层结构提供了增强的机械强度,这对于在材料增强、能量存储和纳米器件中的应用是有益的。5 双壁碳纳米管（DWNTs）：这种变体是一种特殊类型的MWNT，具有两个同心石墨烯层。它们结合了SWNTs和MWNTs的某些特性，在强度和柔韧性之间提供了平衡DWNT与其他两种类型相比不太常见，并且由于其独特的电子和机械性能而对研究特别感兴趣，这使得它们适用于纳米机电系统和高强度材料等应用。6 碳纳米管合成技术7 化学气相沉积(CVD): CVD是用于生产CNT的流行方法,特别是其对纳米管特性(如长度、直径、取向和纯度)的精确控制的价值。该方法通常在低于800摄氏度(° C)的温度下操作,涉及通常在金属催化剂如镍、钴或铁的存在下对基底上的烃进行化学分解。CVD的类型包括热催化化学气相沉积、等离子体增强CVD等。它的优点是其简单，低温，高纯度以及适用于CNT的大规模对齐生长。 激光烧蚀：在激光烧蚀中，高功率激光汽化（通常是YAG型）在氩气气氛中在1,200℃左右的炉中加热一块纯石墨。金属颗粒经常被添加作为催化剂。这种方法是 以生产高纯度和高质量的SWNTs而闻名。纳米管的直径取决于激光功率。一个显著的好处是它的高产率和低金属杂质,但这种方法在经济上不利于大规模生产,并且所生产的纳米管可能不是均匀直的。 碳电弧放电：该技术涉及高温（高于1,700摄氏度），并在氦气环境中使用高纯度石墨电极之间的电弧放电。对于在CNT中产生较少的结构缺陷是有效的,并且可以产生SWNT和MWNT两者。该方法具有高产量的SWNT,其平均直径为1.4纳米。主要优点是其用于大量生产的潜力，但它对纳米管排列几乎没有控制，并且由于金属催化剂而需要纯化。 净化8 碳纳米管(CNT)的纯化涉及一系列步骤以去除杂质,如无定形碳、金属催化剂颗粒和其他碳质材料。这些步骤包括酸处理,通常使用浓酸如硝酸或盐酸来溶解金属颗粒。采用过滤和离心技术将CNT与较大的石墨颗粒和溶剂分离。另外,热氧化用于消除无定形碳,而尺寸排阻色谱法和超声处理有助于分离和分散纳米管。这些方法的复杂性和有效性各不相同，对于实现CNT的特定应用所需的高纯度至关重要。维持碳纳米管性能的单步，无损净化工艺的发展是未来研究的关键领域。 Applications 生物和生物医学研究：CNT在改善可生物降解的聚合物纳米复合材料的机械性能方面显示出希望，该复合材料用于组织工程应用，例如骨骼，软骨，肌肉和神经组织。由于它们与生物分子如DNA和蛋白质的相容性, CNT已经用于荧光和光声成像、用于癌症治疗的局部加热和用于检测各种生物物质的生物传感器。 复合材料：将碳纳米管掺入材料中以增强其机械性能，使其适用于从衣服和运动装备等日常用品到战斗夹克和太空电梯等专业应用的物品。其高机械强度和导电性已导致其用于制造风力涡轮机叶片，海上安全船和体育用品。 微电子学：碳纳米管场效应晶体管和其他由碳纳米管制成的电子元件已经被开发出来，显示出在室温下工作并使用单个电子执行数字开关的潜力。它们被认为是各种电子器件中传统材料的替代品，在性能和尺寸上都有改进。 8：“碳纳米管：性能，合成，纯化和医疗应用”，纳米级研究快报，阿里Eatemadi，2014年8月13日。 能量存储和太阳能电池：碳纳米管已应用于超级电容器和电池等能量存储装置中，从而提高了容量和循环能力。在太阳能电池中，碳纳米管通过其强大的紫外线，可见光和近红外光吸收特性有助于提高效率，并且正在探索它们作为光伏器件中氧化铟锡的潜在替代品。 氢存储：研究的重点是使用CNT在不将其冷凝成液体的情况下以高密度存储氢气，从而通过允许以气态存储来为氢动力车辆提供潜在的解决方案，从而提高效率。 环境修复：碳纳米管已被用于水处理工艺，因为它们对各种污染物具有很强的吸附亲和力。它们还被用于空气净化以及开发用于环境清洁应用的涂层和材料。 局限性 CNT面临显著的限制,特别是在可扩展性和成本以及环境和健康方面,可扩展性仍然是一个主要问题,因为大规模生产高质量CNT是昂贵的,单壁CNT的成本从每克75美元到每克300美元不等。9这个高成本是一个 此外，在大规模生产过程中确保一致的质量是具有挑战性的；杂质和结构缺陷等问题会显著影响碳纳米管的电气和机械性能。 环境和健康问题也带来了限制。碳纳米管对人类健康和环境的影响尚未完全理解，导致在使用中犹豫不决，特别是在消费品中。潜在的毒性和长期接触碳纳米管的影响需要仔细考虑和管理。这些挑战强调了碳纳米管生产的进步，旨在提高可扩展性和成本效益，同时解决安全和环境问题。 近期交易活动和市场前景 CNT市场最近的风险资本活动凸显了人们对复杂能源存储解决方案的日益增长的兴趣，这些解决方案对于向清洁能源过渡至关重要。OmegaPower在7月份获得了1800万美元的A系列资金 2023年，旨在推进其基于CNT的锂电池电极，强调了这一趋势。此外，Nano-C在2023年1月获得了令人印象深刻的5,000万美元资金，可满足从可再生能源到半导体的各种应用，反映了CNT的广泛潜力。然而，2022年标志着 特别的一年，主要是由于OCSiAl在3月份的巨额3.00亿美元。除此之外，2022年的交易活动有所下降，与2021年更广泛的风险资本市场的趋势平行。然而，2023年见证了复苏，表明过去五年CNT交易活动的波动但有希望的轨迹。 9：“单壁碳纳米管”，廉价管，n.d.，2024年1月10日访问。 要更深入地了解数据并探索其他见解，请访问PitchBook平台或请求免费试用。 推荐阅读 •“碳纳米管的历史和生产方法”，廉价管，n.d.，2024年1月10日访问。•“碳纳米管：用途，性质和局限性”，Ossila，NicolaWilliams，n.d.，2024年1月10日。•“碳纳米管已经向能源和健康应用发展，但误解仍然存在，”Phys.org，AveryRuxerFranklin，2023年12月12日。•“单壁碳纳米管：结构，性能，应用以及健康与安全”，OCSiAl，MarinaFilchakova和VladimirSaik，2021年5月12日。