mile米乐m6官网 利用单壁碳纳米管开发大比表面积材料

独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长野间口裕]（以下简称“AIST”）纳米管应用研究中心[研究中心主任饭岛澄夫]超级生长CNT团队能源技术研究部研究组组长畠健二[研究主任长谷川博夫]储能材料集团首席研究员羽鸟博明等单壁碳纳米管使用（单壁碳纳米管），比表面积是 2240 m²/g的纤维材料。

　具有大比表面积的材料用于能量储存，例如电容器等蓄电装置，以及物质的储存、净化和分离。然而，许多传统材料都很脆，因此很难将它们制成易于处理的固态，同时保持较大的比表面积。

　这次，超级成长法对8827_8898|合成的单壁碳纳米管的定向结构进行“开孔处理”，通过氧化在纳米管的尖端和壁上打孔，比表面积为2240 m²/g的纤维材料。该值大于传统的高比表面积材料多孔二氧化硅或活性炭的值。这种材料被制成电极原型电容器显示出247 Wh/kg的高能量密度和989 kW/kg的高功率密度。该性能超过了传统电容器。此外，通过改变开孔处理温度，可以调整开孔直径的大小，并且可以选择单壁CNT中吸藏的物质。未来，小型、轻量化、高性能的电容器有望作为电极材料实用化。作为其他材料和能源的存储介质，它也有望具有广泛的应用。

详细结果可参见德国学术期刊《先进功能材料

1g单壁CNT高比表面积材料（左侧500日元硬币）和透射电子显微镜图像

　比表面积大的物质利用其吸附能力用作除湿剂和除臭剂，利用其大的相互作用用于传感器和物质的净化和分离，广泛应用于从日常生活到工业应用的各个方面。特别是近年来，混合动力汽车、电动汽车、燃料电池汽车受到关注，它们作为电容器、燃料电池的电极材料等储能材料的应用也受到关注。

　具有大比表面积的材料包括多孔二氧化硅和活性炭，但由于这些材料是无定形材料，因此它们很脆。而且，它们大多为粉末形式，当将它们制成易于使用的固体状态时，存在比表面积变小的问题。随着人们对高性能储能装置的兴趣增加，需要开发高比表面积材料来替代这些装置。

　单壁碳纳米管的比表面积即使在团聚时也不会减少，作为弥补传统高比表面积材料缺点的材料而受到关注，但迄今为止理论值（2630 m²/g)的比表面积，240-1250 m²/g。

产业技术研究所目前已开发出单壁CNT合成方法“超生长法”，并且还开发了高纯度单壁CNT垂直排列的CNT排列结构（俗称CNT森林）。最近，我们一直在研究将该技术应用于电容器的电极材料，包括开发提高这种取向结构的密度的技术。

　AIST纳米管应用研究中心和能源技术研究部门合作，推进了电容器电极应用的研究，包括增加比表面积的加工方法，并取得了这一成果。

　这项研究和开发是“纳米技术计划：碳纳米管电容器开发项目”的成果，该项目是由独立行政机构新能源和工业技术综合开发组织（NEDO）委托进行的。

　采用超生长法生产的碳纳米管森林是一种由995%单壁碳纳米管组成的、单向取向的结构。与其他单壁碳纳米管相比，它具有更大的直径和更高的纯度。着眼于这些特性，我们尝试通过进行“开孔处理”来增加比表面积，其中包括通过氧化在纳米管的尖端和壁上形成孔。 CNT森林被空气中的氧气氧化，在干燥空气中以1℃/min的速率加热，在高温下氧化打开。加热温度为350℃至600℃。

　利用氮分子的吸附现象测量比表面积布鲁诺尔-埃米特-特勒使用(BET)方法。图1为空气氧化开孔处理后样品的比表面积。这里，蓝色是CNT外部的比表面积，红色是CNT内部的比表面积。另外，○标记(白圈)表示CNT因处理而重量减少。在加热至500℃并进行开孔处理的样品中，几乎没有明显的重量损失，即几乎没有由于CNT燃烧而导致的重量损失。而且其比表面积为2240 m²/g和未处理样品的比表面积1300 m²/g 显着增加。理论值（2630米²/g)，据认为CNT中约85%的碳原子充当表面原子。

图1 CNT森林的开放处理温度、比表面积和减重率的变化 蓝色：外比表面积，红色：内比表面积，白圈：减重率

CNT排列结构可以通过用溶剂处理来致密化。当对高致密化的CNT取向结构（俗称CNT固体）进行类似的开孔处理时，其比表面积为2190 m²/g。 （单位体积1310 m）²/厘米³)

　两个 CNT 样品的比表面积均为市售多孔二氧化硅 (SBA-15, 750 m²/g) 和活性炭 (YP17, 1700 m²/g)可以说具有足够大的表面积（图2）。

图2与常规材料比表面积对比

　我们研究了新开发的材料作为电容器电极的性能。当采用不同加热温度的材料作为电极、四甲基四氟硼酸铵/碳酸丙烯酯作为电解质时，加热到525℃的电极表现出247Wh/kg的能量密度和989kW/kg的功率密度。该性能优于使用活性炭电极的传统电容器（169 Wh/kg、357 kW/kg）或使用比表面积小、纯度低的CNT的高性能电容器，有望应用于电动汽车等蓄电设备（图3）。

图3我们原型制作的高性能电容器与传统产品的性能比较

　使用氮分子测得的比表面积最大时的加热温度（500℃）与使用电解质离子生产的原型电容器的性能最高时的加热温度（525℃）之间存在差异的原因是，在高温处理时，由于氧化而在CNT壁表面上形成的开口尺寸变得更宽，使得该尺寸适合于较大的分子。这表明可以通过控制打开过程的条件来选择要存储在碳纳米管内的物质。

图4 孔径处理后单壁碳纳米管的透射电子显微镜图像

　AIST计划向企业和组织提供以克为单位的研究样品，以促进新开发的单壁CNT高比表面积材料的应用开发。此外，作为NEDO“碳纳米管电容器开发项目”的一部分，我们将与Zeon Corporation合作开发CNT森林的工业量产技术，CNT森林将成为这种高比表面积材料的原材料，并将利用该技术与日本贵弥功株式会社合作开发高性能电容器。

◆单壁碳纳米管（SWCNT：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]

◆比表面积

一般指物质每单位质量的表面积，但在某些情况下也可以指每单位体积的表面积。[返回来源]

◆超级成长法

该方法采用CVD法，这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。可以合成高效率生长的单壁碳纳米管，其长度达到常规方法的500倍，以及长度比常规方法长2000倍的高纯度单壁碳纳米管。此外，取向度高，还可以产生宏观结构。[返回来源]

◆电容器

利用双电层（即正离子和负离子在固体和液体界面处成对排列的现象）的储能装置称为双电层电容器。在充电和放电过程中，电解质离子简单地移动并吸附和解吸到电极，因此它们的优点是能够比发生化学反应的二次电池更快地充电和放电，并且不易劣化。近年来，已经开发出各种类型的下一代电容器，包括能够像电容器一样快速充电和放电的赝电容器，尽管它们涉及与二次电池类似的化学反应。[返回来源]