mile米乐m6官网 开发廉价的单壁碳纳米管大规模合成方法

米乐m6官方网站【会长：吉川博之】（以下简称“AIST”）纳米碳研究中心【主任：饭岛澄男】纳米碳团队组长畠健二、AIST特别研究员平冈树和吉翁株式会社【代表董事兼社长古贺直纯】（以下简称“日本吉翁”）共同单壁碳纳米管的合成方法之一超级成长法，我们首次开发了在大面积金属板上直接合成大量单壁碳纳米管的技术。

　到目前为止，超生长方法使用昂贵的硅基底来合成单壁碳纳米管，但这次他们成功地在廉价的镍合金基底上合成了它们。此外，我们与Nippon Zeon合作，设计并制作了可以应用新开发技术的合成炉原型，并成功在A4大小的金属板的整个表面上合成了均匀的单壁碳纳米管结构。这比传统种植面积大100倍，产量以克为单位。合成的单壁碳纳米管在金属箔上垂直生长，仅需10分钟即可形成一毫米高的结构。该结构中的单壁碳纳米管表现出高纯度、高比表面积、长长度等优异性能，可与在硅衬底上合成的碳纳米管相媲美，即世界最高水平，被认为在超级电容器和执行器等各种应用中极为有用。该成果使衬底成本降低至常规成本的百分之一，是开发碳纳米管大面积、连续生产技术的关键技术，将为单壁碳纳米管工业化量产奠定重要基础。这项研究的部分结果发表在《美国化学会杂志》上（美国化学会杂志，卷128，p13338，2006）。

图1在A4尺寸金属箔上合成的单壁碳纳米管结构

图2 Inconel（镍合金）上垂直排列的单壁碳纳米管结构

　单壁碳纳米管是具有高导电性、柔性、各向异性、低维度等新功能的碳材料。因此，它作为下一代纳米器件材料备受关注，有望成为21世纪纳米技术的核心材料。单壁碳纳米管的应用研发在全球范围内竞争激烈，但单壁碳纳米管合成技术尚不成熟，导致其价格极其昂贵，且作为工业材料尚无前景。为了充分发挥单壁碳纳米管的优异潜力，有必要开发一种赋予单壁碳纳米管高取向、高密度、高比表面积、长长度和高纯度等特性的合成方法。此外，为了将这种高阶结构控制的单壁碳纳米管用作工业材料，需要显着提高生长效率并开发允许在廉价基板上大面积连续生产的大规模生产技术。

产业技术研究院以2004年公布的世界最高生长效率的超级生长法为基础，不懈地致力于开发廉价的单壁碳纳米管大规模合成技术。团队负责人 Kenji Hatake、研究科学家 Hiraoka 和其他研究人员一直致力于改进之前在昂贵的硅基板上进行的超生长单壁碳纳米管合成方法，使其可以在更便宜的金属板上合成。此外，我们正在与 Zeon 合作，致力于大面积连续生产的大规模生产技术。

　这项研究是在纳米技术计划“碳纳米管电容器开发项目”（2006-2012 财年）的支持下进行的，该项目是独立行政机构新能源产业技术综合开发机构（以下简称“NEDO”）委托的项目。

　我们反复研究了一种批量生产高质量碳纳米管的技术，该技术使用由相对便宜的材料制成的基板，而不是传统硅晶片等昂贵的基板，作为支撑催化剂并生长碳纳米管的基板。CVD（化学气相沉积）技术，我们应用了AIST纳米碳团队开发的超级生长方法。超级生长法是一种在基底上合成单壁碳纳米管的方法，拥有世界上最高的生长效率。该方法需要基材在接近800℃的温度下对氢还原气氛、加水和氧化气氛表现出高耐久性，并且不会抑制碳纳米管的合成。经过大量研究，他们发现一种特定的镍合金满足他们的要求。特别地，已证实通过使用板状或带状形式的这些合金，可以获得具有所需性能的单壁碳纳米管的定向结构。在此使用的镍合金上，单壁碳纳米管的质量、产量和选择性与硅基底上的单壁碳纳米管相当。换句话说，使用尺寸限制较少且比硅基底便宜得多的镍合金基底合成大量单壁碳纳米管已成为可能。

　我们与Nippon Zeon合作，设计并制作了可应用新开发技术的大面积超生长合成炉，并成功在A4大小的金属板的整个表面上合成了均匀的单壁碳纳米管结构。合成的单壁碳纳米管具有世界最高水平的纯度（碳纯度达到999%以上）和高比表面积（非开放状态下1000 m）。²/g或更大），并且是定向的，因此它被认为在超级电容器和执行器等各种应用中非常有用。

图3 在各种Ni-Fe-Cr（镍-铁-铬）合金上合成单壁碳纳米管结构。 放大视图：纳米管在结构中垂直排列。比例尺为 1 µm。

　未来，我们将以新开发的超生长金属基底碳纳米管合成技术为核心技术，将已经在小基底上批量进行的合成反应进行规模化、连续化、提高合成反应效率，力争将单壁碳纳米管的生产成本大幅降低至常规成本的数百%。这项研究的结果有望使生产以克为单位的产品成为可能，而不是传统的在硅基板上小批量生产几毫克的产品，并为电容器等应用的发展提供动力。在NEDO“碳纳米管电容器开发项目”的支持下，我们的目标是在几年内工业化批量生产具有高比表面积的长、高纯度、块状单壁碳纳米管。此外，该方法合成的单壁碳纳米管比活性炭具有更大的单位比表面积电容量，有潜力成为高能量密度、高功率电容器材料。利用这些特性，我们将开发具有电容器所需的高输出、高能量密度和长寿命的双电层电容器。

图4大面积超生长单壁碳纳米管合成炉

◆单壁碳纳米管（SWNT：单壁碳纳米管）

碳纳米管是仅由碳原子组成的一维纳米材料，直径为04至50纳米（1纳米：十亿分之一米），长度约为1至几十微米。其化学结构由连接在一起的卷状石墨层表示，只有一层的称为单壁碳纳米管，根据石墨层的缠绕方式（螺旋性），电子结构可以是金属或半导体。[返回来源]

◆超级成长法

CVD法是合成单壁碳纳米管的方法之一，通过添加极少量的水，大大提高了催化剂的活化时间和活性。在合成有望成为纳米技术核心材料的单壁碳纳米管时，该技术可以超高效率生长，达到常规单壁碳纳米管长度的500倍，并合成超高纯度单壁碳纳米管，杂质含量为常规方法的1/2000。此外，取向度极高，还可以产生宏观结构。[返回来源]

◆CVD法（化学气相沉积法：化学气相沉积）

纳米级过渡金属催化剂下的甲烷（CH₄) 和乙炔 (C₂H₂)等气体反应获得碳纳米管的方法。 CVD法的特点是使用碳氢化合物作为原料，在500～1200℃的较低温度下进行反应。[返回来源]