【摘要】单壁碳纳米管（SWCNTs）因其独特的电学、力学和热学性能，在纳米科技领域具有重要应用潜力。本文系统综述了SWCNTs的性质以及制备方法，包括电弧放电法、化学气相沉积法（CVD）和激光烧蚀法等，分析了各技术的优缺点及产业化前景。同时，重点探讨了SWCNTs在电子器件、复合材料、能源存储和生物医学等领域的应用现状，并针对规模化制备中的纯度控制、成本优化等挑战提出了未来研究方向。

【关键词】单壁碳纳米管；制备技术；应用领域；产业化挑战

1 引言

单壁碳纳米管（Single-Walled Carbon Nanotubes, SWCNTs）是由单层石墨烯卷曲形成的管状纳米材料，其直径通常在0.4-2nm之间^[1]。自1993年首次合成以来，SWCNTs因其优异的导电性（载流子迁移率高达10⁵cm²/V·s）、机械强度（弹性模量约1TPa）和热导率（3500W/m·K）成为纳米材料研究的热点。随着新能源汽车、柔性电子等产业的快速发展，市场对高性能材料的需求持续攀升，单壁碳纳米管的产业化进程备受关注。然而，现有SWCNTs的制备仍面临着生产成本高、制备效率低以及纯化困难等问题，限制了其大规模工业应用。

2 单壁碳纳米管的性质

2.1 力学性能

单壁碳纳米管的碳原子间以C－C共价键结合，从结构上推测其具有很高的轴向强度、韧性和弹性模量。通过测量碳纳米管自由端的振动频率得出碳纳米管的杨氏模量可达1Tpa，几乎等同于金刚石的杨氏模量，约为钢的5倍；单壁碳纳米管具有极高的轴向强度，约为钢的100倍^[2]；单壁碳纳米管的弹性应变为5%，最高可达12%，约为钢的60倍，具有极好的韧性和可弯曲性。

2.2 电学性能

单壁碳纳米管的螺旋管状结构决定了其独特且优异的电学性质。理论研究表明，由于电子在碳纳米管的运输方式呈弹道运输，单壁碳纳米管的载流能力高达10⁹A/cm²，比导电良好的铜高出1000倍。单壁碳纳米管的直径在1nm左右，电子在其中的运动具有量子行为，受量子物理影响，随着单壁碳纳米管的管径和螺旋方式变化，价带和导带的能隙可从近乎零变化到1eV，其导电性可呈金属性和半导体性，因而碳纳米管的导电性可通过改变手性角和直径来调控，至今为止还没有发现其他任何物质能像单壁碳纳米管一样通过简单地改变原子排布方式调节其能隙大小。

2.3 热学性能

碳纳米管和石墨、金刚石一样，都是优良的热导体，和其导电性能一样，碳纳米管也具有优异的轴向导热性能，是理想的导热材料^[3]。理论计算表明，碳纳米管导热系统具有较大的平均声子自由程，声子可以顺利地沿管道传输，其轴向热导率大约在6600 W/m·K以上，与单层石墨烯的热导率相当。单根单壁碳纳米管室温热导率接近3500 W/m·K，远大于金刚石和石墨。虽然碳纳米管轴向的热交换性能很高，但其在垂直方向的热交换性能较低，而且碳纳米管受自身的几何性质所限，其膨胀率几乎为零，因此即使很多碳纳米管捆绑成束，热量也不会从一根碳纳米管传到另一根碳纳米管。

2.4 光学性能

单壁碳纳米管独特的结构造就了其独特的光学性能，拉曼光谱、荧光光谱以及紫外可见近红外光谱已广泛应用于光学性能的研究。拉曼光谱是单壁碳纳米管最常用的检测工具，在200nm左右处会出现单壁碳纳米管的特征振动模式－环呼吸振动模式（RBM）。RBM可用于确定碳纳米管的微观结构以及判断样品中是否含有单壁碳纳米管。单壁碳纳米管在近红外波段吸收光子并发出荧光的特性，对其修饰后可用于肿瘤区域光声成像和近红外加热，使其在生物医疗领域具有潜在应用。

3 单壁碳纳米管的制备方法

3.1 电弧放电法

电弧放电法是最早实现SWCNTs合成的技术之一。1993年Iijima等人^[4]在石墨阳极中掺入过渡金属催化剂，采用电弧放电法成功地制备了单壁碳纳米管。其原理是通过高压电弧在惰性气体（如氦气）中蒸发石墨电极，生成碳蒸气并在催化剂（如Fe、Co/Ni合金）表面沉积形成SWCNTs。该方法制备的SWCNTs结晶度高、缺陷少，但产物中常混杂多壁碳纳米管（MWCNTs）和无定形碳，需通过纯化处理（如酸氧化、离心分离）提高纯度^[5]。研究表明，惰性气体压力影响碳纳米管的直径、长度和黏附颗粒，优化催化剂比例（如Co:Ni=1:3）可将SWCNTs产率提升至70%以上。电弧法的优点是简单、快速，形成燃料束的碳纳米管直壁结晶度高，但还存在混合时难以分离出高纯度碳纳米管的缺陷。此外，该反应消耗较多的能量，这在一定程度上限制了该方法的应用。

3.2 化学气相沉积法（CVD）

CVD法是当前工业化生产SWCNTs的主流技术。以甲烷或乙烯为碳源，在600-1000℃下通过催化剂（如Fe/Mo/Al₂O₃）的催化作用生长SWCNTs^[6]。通过调控反应温度、气体流速和基底类型，可实现SWCNTs的定向生长。

研究强调选择合适的催化剂、碳源和反应温度对制备碳纳米管至关重要。陈瑞松^[7]等使用CVD法和Fe催化剂在MgO载体上制备SWCNTs，发现800℃是理想的生长温度，此时SWCNTs产率最高，直径分布最宽。CVD法具有操作简单，易于大规模生产，成本较低等优点；但制备的碳纳米管直径分布宽、有金属催化剂残留，需进一步纯化和分散处理。

3.3 激光蒸发法（激光烧蚀法）

激光蒸发法是利用高能激光脉冲轰击含催化剂的石墨靶材^[8]，使碳原子在惰性气氛中凝聚成SWCNTs。此方法可通过调节激光波长（如Nd:YAG激光器）和脉冲频率控制SWCNTs的直径和手性。激光蒸发法的主要优点是制备产物中单壁碳纳米管纯度很高，可达70%-90%，易于提纯，而且单壁碳纳米管晶化程度极高，宜用于单壁碳纳米管性能和应用研宄。此方法的缺点也很突出，激光蒸发设备复杂，成本昂贵，产量低，不适合工业生产，几乎没有商业化前景。

3.4 低温固相热解法

该方法通过固相热分解制备Si-C-N陶瓷中间体制备碳纳米管。中间体放入氰化硼锅中，在石墨电阻炉中热解，用氮气保护。加热一段时间后，中间粉末受热分解，碳原子向表面迁移，碳纳米管与固氮化硅粉比例较高。该方法反应稳定，无催化剂，原位生长，但对原料要求严格，难以大规模生产。如果碳源充足，该方法可能是实验室制备碳纳米管的最佳方法。

4 单壁碳纳米管的应用进展

碳纳米管独特的结构和性能使其应用领域十分广泛，商业价值非常巨大。其优异的电学性能使碳纳米管可用于场效应管，大规模集成电路等；其高强度的特性使它可作为复合材料的增强材料，在复合材料的领域的应用前景十分光明；也可用于电池电极和半导体器件等领域。此外，碳纳米管也可用于储能方面，如储氢材料等。

4.1 电子器件

单壁碳纳米管因其极高的轴向强度和弹性模量，成为高性能复合材料的理想添加剂。研究表明，在聚合物中添加0.2%的SWCNTs即可显著提升抗拉强度，而传统多壁碳纳米管（MWCNTs）需3-5%的添加量才能达到类似效果。此外，SWCNTs的高长径比（可达数千）使其在低添加量下即可形成三维导电网络（渗透阈值低至0.01%），广泛应用于导电塑料、橡胶及陶瓷材料中。

4.2 复合材料增强

将SWCNTs加入聚合物基体（如环氧树脂、聚酰亚胺）可显著提升材料的力学性能。研究表明，添加1wt%的SWCNTs可使复合材料拉伸强度提高200%，同时赋予其导电性，适用于航空航天结构件。

4.3 能源存储

在储能领域，SWCNTs的储氢容量远超传统材料，被视为推动氢燃料电池发展的关键材料。作为锂离子电池阳极材料，其可逆容量达700mAh/g，是石墨阳极的4倍以上。此外，基于SWCNTs的超级电容器在循环13000次后性能仅衰减2%，显示出卓越的循环稳定性。

4.4 生物医学

SWCNTs的小尺寸（直径<2nm）允许其自由进出细胞，通过表面修饰可携带药物实现靶向治疗。其光致发光特性还用于生物成像，而半导体性SWCNTs的荧光光谱在近红外波段具有低背景干扰优势。

5 挑战与未来展望

5.1 规模化制备的瓶颈

纯度与手性控制：SWCNTs性的手（金属型/半导体型）难以精确调控，导致半导体型与金属型混合，半导体型通常占比不足2/3，制约其在电子器件中的应用。

成本问题：主流CVD法的设备投资大且催化剂成本占总成本的30%以上，需开发低成本替代材料（如生物质衍生催化剂）。此外，产物中常混杂金属催化剂残留（如Fe、Co等），需通过酸洗纯化，增加了环境负担。

规模化生产：全球SWCNTs产能不足百吨，OCSiAl一家占据90%市场份额，国内拟建产能虽超800吨，但多数未实际投产。

5.2 分散与界面问题

SWCNTs易因范德华力团聚，需通过表面功能化（如超支化聚酰胺接枝）改善分散性。此外，其与聚合物基体的弱界面作用可能导致应力传递效率下降，需开发新型偶联剂。

5.3 未来展望

可控合成技术：开发模板导向CVD、等离子辅助体生长等新，工艺实现SWCNTs手性和直径的精准调控。

绿色制备：探索无催化剂的太阳能或激光蒸发法，减少金属污染。

低成本纯化：利用选择性氧化或电化学分离技术替代传统酸，提高纯度并降低环境洗成本。

6 结论

单壁碳纳米管作为21世纪最具潜力的纳米材料之一，其制备技术已从实验室走向初步工业化，但在纯度、成本和手性控制等方面仍需突破。未来，通过跨学科合作（如机器学习辅助催化剂设计）和工艺优化，SWCNTs有望在电子、能源和医疗领域实现大规模应用，推动粉体工业的高端化转型。未来十年，随着全球产能释放和成本下降，SWCNTs或将成为“后硅时代”的核心材料，重塑人类科技与生活的边界。

参考文献：

[1] 李恩熙,杨亮.单壁碳纳米管性能特点及其制备[J].化纤与纺织技术,2024,12:03-08.

[2] 汪凯.单壁碳纳米管的纯化研究[D].厦门大学，2019.

[3] 刘畅,成会明.碳纳米管[M].化学工业出版社:北京，2018.

[4] Iijima,S.,Ichihashi,T.,Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter[J]. Nature,1993,363 (6430),pp 603-605.

[5] 张新庄,王姗姗,裴婷,等.甲烷催化裂解法多壁碳纳米管的除杂提纯[J].工业催化,2021,29（12）:36-41.

[6] 赵江.高质量多壁碳纳米管的制备方法和应用研究[D].上海交通大学,2013.

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[8] 陈文彬,冯吉军,廖洋,夏新成,蒋巍,任文波,骆涛,赵新洛.飞秒激光烧蚀单壁碳纳米管制备碳炔[J].中国激光,2023,50（20）:01-08.