碳纳米管可控制备的过去、现在和未来

张树辰 张娜 张锦

引用本文: 张树辰, 张娜, 张锦. 碳纳米管可控制备的过去、现在和未来[J]. 物理化学学报, 2020, 36(1): 190702. doi: 10.3866/PKU.WHXB201907021 shu
Citation:  Zhang Shuchen, Zhang Na, Zhang Jin. Controlled Synthesis of Carbon Nanotubes: Past, Present and Future[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2020, 36(1): 190702. doi: 10.3866/PKU.WHXB201907021 shu

碳纳米管可控制备的过去、现在和未来

    作者简介:

    张锦,北京大学教授、博士生导师,国家杰出青年基金获得者、教育部长江学者特聘教授、英国皇家化学学会会士、中组部“万人计划”创新领军人才入选者、科技部重点研发计划项目负责人。1997年获兰州大学理学博士学位,1998年至2000年在英国利兹大学从事博士后研究,2000年5月到北京大学化学与分子工程学院工作。主要从事纳米碳材料的控制制备及其拉曼光谱学研究;
    通讯作者: 张锦, jinzhang@pku.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(1432002, 21790052, 51720105003)资助项目

摘要: 碳纳米管独特的几何和电子结构使其具有丰富优异的性质,因此在过去的二十余年备受研究者的关注。然而,碳纳米管结构的多样性成为其从实验室走到产业化的最大阻碍,结构决定性质,制备决定未来,完善的结构控制制备技术将成为碳纳米管基础研究和产业化应用中至关重要的一环。本文首先对碳纳米管的结构进行描述,然后综述了碳纳米管的结构可控制备方法和溶液纯化分离技术,提出未来理想的碳纳米管制备之路是将碳纳米管精细结构控制方法与宏量制备技术相结合,在降低碳纳米管生产成本的同时,提高其纯度,并建立碳纳米管产品的标准。最后,展望了碳纳米管的杀手锏级应用和该领域的机遇和挑战。

English

    1. [1]

      Iijima, S. Nature 1991, 354, 56. doi: 10.1038/354056a0

    2. [2]

      Peng, B.; Locascio, M.; Zapol, P.; Li, S.; Mielke, S. L.; Schatz, G. C.; Espinosa, H. D. Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 626. doi: 10.1038/nnano.2008.211

    3. [3]

      Jin, S. H.; Dunham, S. N.; Song, J.; Xie, X.; Kim, J. H.; Lu, C.; Islam, A.; Du, F.; Kim, J.; Felts, J.; et al. A. Nat. Nanotechnol. 2013, 8, 347. doi: 10.1038/nnano.2013.56

    4. [4]

      Gong, K.; Du, F.; Xia, Z.; Durstock, M.; Dai, L. Science 2009, 323, 760. doi: 10.1126/science.1168049

    5. [5]

      Baughman, R. H.; Zakhidov, A. A.; de Heer, W. A. Science 2002, 297, 787. doi: 10.1126/science.1060928

    6. [6]

      Chou, T. W.; Gao, L.; Thostenson, E. T.; Zhang, Z.; Byun, J. H. Compos. Sci. Technol. 2010, 70, 1. doi: 10.1016/j.compscitech.2009.10.004

    7. [7]

      De Volder, M. F. L.; Tawfick, S. H.; Baughman, R. H.; Hart, A. J. Science 2013, 339, 535. doi: 10.1126/science.1222453

    8. [8]

      Qiu, C.; Zhang, Z.; Xiao, M.; Yang, Y.; Zhong, D.; Peng, L. M. Science 2017, 355, 271. doi: 10.1126/science.aaj1628

    9. [9]

      Appenzeller, J.; Lin, Y. M.; Knoch, J.; Avouris, P. Phys. Rev. Lett. 2004, 93, 196805. doi: 10.1103/PhysRevLett.93.196805

    10. [10]

      Franklin, A. D.; Luisier, M.; Han, S. J.; Tulevski, G.; Breslin, C. M.; Gignac, L.; Lundstrom, M. S.; Haensch, W. Nano Lett. 2012, 12, 758. doi: 10.1021/nl203701g

    11. [11]

      An, K. H.; Kim, W. S.; Park, Y. S.; Moon, J. M.; Bae, D. J.; Lim, S. C.; Lee, Y. S.; Lee, Y. H. Adv. Funct. Mater. 2001, 11, 387. doi: 10.1002/1616-3028(200110)11:5 < 387::AID-ADFM387 > 3.0.CO; 2-G

    12. [12]

      Sotowa, C.; Origi, G.; Takeuchi, M.; Nishimura, Y.; Takeuchi, K.; Jang, I. Y.; Kim, Y. J.; Hayashi, T.; Kim, Y. A.; Endo, M.; et al. ChemSusChem 2008, 1, 911. doi: 10.1002/cssc.200800170

    13. [13]

      Niu, C.; Sichel, E. K.; Hoch, R.; Moy, D.; Tennent, H. Appl. Phys. Lett. 1997, 70, 1480. doi: 10.1063/1.118568

    14. [14]

      Kim, P.; Shi, L.; Majumdar, A.; McEuen, P. L. Phys. Rev. Lett. 2001, 87, 215502. doi: 10.1103/PhysRevLett.87.215502

    15. [15]

      Balandin, A. A.; Ghosh, S.; Bao, W.; Calizo, I.; Teweldebrhan, D.; Miao, F.; Lau, C. N. Nano Lett. 2008, 8, 902. doi: 10.1021/nl0731872

    16. [16]

      Franklin, A. D. Science 2015, 349, 6249. doi: 10.1126/science.aab2750

    17. [17]

      Dresselhaus, M. S.; Dresselhaus, G.; Saito, R. Carbon 1995, 33, 883. doi: 10.1016/0008-6223(95)00017-8

    18. [18]

      Chen, Y.; Zhang, J. Acc. Chem. Res. 2014, 47, 2273. doi: 10.1021/ar400314b

    19. [19]

      Chen, Y.; Zhang, Y.; Hu, Y.; Kang, L.; Zhang, S.; Xie, H.; Liu, D.; Zhao, Q.; Li, Q.; Zhang, J. Adv. Mater. 2014, 26, 5898. doi: 10.1002/adma.201400431

    20. [20]

      Zhang, R.; Zhang, Y.; Wei, F. Acc. Chem. Res. 2017, 50, 179. doi: 10.1021/acs.accounts.6b00430

    21. [21]

      Wang, H.; Yuan, Y.; Wei, L.; Goh, K.; Yu, D.; Chen, Y. Carbon 2015, 81, 1. doi: 10.1016/j.carbon.2014.09.063

    22. [22]

      Yang, F.; Wang, X.; Li, M.; Liu, X.; Zhao, X.; Zhang, D.; Zhang, Y.; Yang, J.; Li, Y. Acc. Chem. Res. 2016, 49, 606. doi: 10.1021/acs.accounts.5b00485

    23. [23]

      Li, Y.; Kim, W.; Zhang, Y.; Rolandi, M.; Wang, D.; Dai, H. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 11424. doi: 10.1021/jp012085b

    24. [24]

      An, L.; Owens, J. M.; McNeil, L. E.; Liu, J. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 13688. doi: 10.1021/ja0274958

    25. [25]

      Zhang, R.; Zhang, Y.; Zhang, Q.; Xie, H.; Qian, W.; Wei, F. ACS Nano 2013, 7, 6156. doi: 10.1021/nn401995z

    26. [26]

      Kang, L.; Zhang, S.; Li, Q.; Zhang, J. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 6727. doi: 10.1021/jacs.6b03527

    27. [27]

      Zhang, S.; Kang, L.; Wang, X.; Tong, L.; Yang, L.; Wang, Z.; Qi, K.; Deng, S.; Li, Q.; Bai, X.; et al. Nature 2017, 543, 234. doi: 10.1038/nature21051

    28. [28]

      Moisala, A.; Nasibulin, A. G.; Brown, D. P.; Jiang, H.; Khriachtchev, L.; Kauppinen, E. I. Chem. Eng. Sci. 2006, 61, 4393. doi: 10.1016/j.ces.2006.02.020

    29. [29]

      Zhang, Q.; Huang, J. Q.; Zhao, M. Q.; Qian, W. Z.; Wei, F. ChemSusChem 2011, 4, 864. doi: 10.1002/cssc.201100177

    30. [30]

      Iijima, S.; Ichihashi, T. Nature 1993, 363, 603. doi: 10.1038/363603a0

    31. [31]

      Hayashi, T.; Kim, Y. A.; Matoba, T.; Esaka, M.; Nishimura, K.; Tsukada, T.; Endo, M.; Dresselhaus, M. S. Nano Lett. 2003, 3, 887. doi: 10.1021/nl034080r

    32. [32]

      Zhang, C.; Bets, K.; Lee, S. S.; Sun, Z.; Mirri, F.; Colvin, V. L.; Yakobson, B. I.; Hauge, R. H. ACS Nano 2012, 6, 6023. doi: 10.1021/nn301039v

    33. [33]

      Hou, P. X.; Li, W. S.; Zhao, S. Y.; Li, G. X.; Shi, C.; Liu, C.; Cheng, H. M. ACS Nano 2014, 8, 7156. doi: 10.1021/nn502120k

    34. [34]

      Chen, Y.; Shen, Z.; Xu, Z.; Hu, Y.; Xu, H.; Wang, S.; Guo, X.; Zhang, Y.; Peng, L.; Ding, F.; et al. Nat. Commun. 2013, 4, 2205. doi: 10.1038/ncomms3205

    35. [35]

      Kang, L.; Hu, Y.; Liu, L.; Wu, J.; Zhang, S.; Zhao, Q.; Ding, F.; Li, Q.; Zhang, J. Nano Lett. 2015, 15, 403. doi: 10.1021/nl5037325

    36. [36]

      Zhang, S.; Tong, L.; Hu, Y.; Kang, L.; Zhang, J. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 8904. doi: 10.1021/jacs.5b05384

    37. [37]

      Zhang, Q.; Huang, J. Q.; Qian, W. Z.; Zhang, Y. Y.; Wei, F. Small 2013, 9, 1237. doi: 10.1002/smll.201203252

    38. [38]

      Hu, Y.; Kang, L.; Zhao, Q.; Zhong, H.; Zhang, S.; Yang, L.; Wang, Z.; Lin, J.; Li, Q.; Zhang, Z.; et al. Nat. Commun. 2015, 6, 6099. doi: 10.1038/ncomms7099

    39. [39]

      Hata, K.; Futaba, D. N.; Mizuno, K.; Namai, T.; Yumura, M.; Iijima, S. Science 2004, 306, 1362. doi: 10.1126/science.1104962

    40. [40]

      Sun, D. M.; Timmermans, M. Y.; Tian, Y.; Nasibulin, A. G.; Kauppinen, E. I.; Kishimoto, S.; Mizutani, T.; Ohno, Y. Nat. Nanotechnol. 2011, 6, 156. doi: 10.1038/nnano.2011.1

    41. [41]

      Du, R.; Zhao, Q.; Zhang, N.; Zhang, J. Small 2015, 11, 3263. doi: 10.1002/smll.201403170

    42. [42]

      Li, Y. L.; Kinloch, I. A.; Windle, A. H. Science 2004, 304, 276. doi: 10.1126/science.1094982

    43. [43]

      Liu, C.; Cong, H. T.; Li, F.; Tan, P. H.; Cheng, H. M.; Lu, K.; Zhou, B. L. Carbon 1999, 11, 1865. doi: 10.1016/S0008-6223(99)00196-7

    44. [44]

      Guo, T.; Nikolaev, P.; Rinzler, A. G.; Tomanek, D.; Colbert, D. T.; Smalley, R. E. J. Phys. Chem. 1995, 99, 10694. doi: 10.1021/acs.energyfuels.7b03144

    45. [45]

      Zhang, X.; Jiang, K.; Feng, C.; Liu, P.; Zhang, L.; Kong, J.; Zhang, T.; Li, Q.; Fan, S. Adv. Mater. 2006, 18, 1505. doi: 10.1002/adma.200502528

    46. [46]

      Wang, Y.; Wei, F.; Luo, G.; Yu, H.; Gu, G. Chem. Phys. Lett. 2002, 364, 568. doi: 10.1016/S0009-2614(02)01384-2

    47. [47]

      Gui, X.; Wei, J.; Wang, K.; Cao, A.; Zhu, H.; Jia, Y.; Shu, Q.; Wu, D. Adv. Mater. 2010, 22, 617. doi: 10.1002/adma.200902986

    48. [48]

      Arnold, M. S.; Green, A. A.; Hulvat, J. F.; Stupp, S. I.; Hersam, M. C. Nat. Nanotechnol. 2006, 1, 60. doi: 10.1038/nnano.2006.52

    49. [49]

      Liu, H.; Nishide, D.; Tanaka, T.; Kataura, H. Nat. Commun. 2011, 2, 309. doi: 10.1038/ncomms1313

    50. [50]

      Khripin, C. Y.; Fagan, J. A.; Zheng, M. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 6822. doi: 10.1021/ja402762e

    51. [51]

      Lolli, G.; Zhang, L.; Balzano, L.; Sakulchaicharoen, N.; Tan, Y.; Resasco, D. E. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 2108. doi: 10.1021/jp056095e

    52. [52]

      Wang, H.; Wei, L.; Ren, F.; Wang, Q.; Pfefferle, L. D.; Haller, G. L.; Chen, Y. ACS Nano 2012, 7, 614. doi: 10.1021/nn3047633

    53. [53]

      Yang, F.; Wang, X.; Zhang, D.; Yang, J.; Luo, D.; Xu, Z.; Wei, J.; Wang, J. Q.; Xu, Z.; Peng, F.; et al. Nature 2014, 510, 522. doi: 10.1038/nature13434

    54. [54]

      Wang, Z.; Zhao, Q.; Tong, L.; Zhang, J. J. Phys. Chem. C 2017, 121, 27655. doi: 10.1021/acs.jpcc.7b06653

    55. [55]

      Zhou, W.; Zhan, S.; Ding, L.; Liu, J. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 14019. doi: 10.1021/ja3038992

    56. [56]

      Zhang, G.; Qi, P.; Wang, X.; Lu, Y.; Li, X.; Tu, R.; Bangsaruntip, S.; Mann, D.; Zhang, L.; Dai, H. Science 2006, 314, 974. doi: 10.1126/science.1133781

    57. [57]

      Zhang, S.; Wang, X.; Yao, F.; He, M.; Lin, D.; Ma, H.; Sun, Y.; Zhao, Q.; Liu, K.; Ding, F.; et al. Chem 2019, 5, 1182. doi: 10.1016/j.chempr.2019.02.012

    58. [58]

      Zhang, S.; Tong, L.; Zhang, J. Nat. Sci. Rev. 2017, 5, 310. doi: 10.1093/nsr/nwx080

    59. [59]

      Ding, F.; Harutyunyan, A. R.; Yakobson, B. I. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2009, 106, 2506. doi: 10.1073/pnas.0811946106

    60. [60]

      Artyukhov, V. I.; Penev, E. S.; Yakobson, B. I. Nat. Commun. 2014, 5, 4892. doi: 10.1038/ncomms5892

    61. [61]

      Yao, Y.; Feng, C.; Zhang, J.; Liu, Z. Nano Lett. 2009, 9, 1673. doi: 10.1021/nl900207v

    62. [62]

      Liu, J.; Wang, C.; Tu, X.; Liu, B.; Chen, L.; Zheng, M.; Zhou, C. Nat. Commun. 2012, 3, 1199. doi: 10.1038/ncomms2205

    63. [63]

      O'connell, M. J.; Bachilo, S. M.; Huffman, C. B.; Moore, V. C.; Strano, M. S.; Haroz, E. H.; Rialon1, K. L.; Boul1, P. J.; Noon, W. H.; Kittrell1, C.; et al. Science 2002, 297, 593. doi: 10.1126/science.1072631

    64. [64]

      Ortiz-Acevedo, A.; Xie, H.; Zorbas, V.; Sampson, W. M.; Dalton, A. B.; Baughman, R. H.; Draper, R. K.; Musselman, I. H.; Dieckmann, G. R. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 9512. doi: 10.1021/ja050507f

    65. [65]

      Nish, A.; Hwang, J. Y.; Doig, J.; Nicholas, R. J. Nat. Nanotechnol. 2007, 2, 640. doi: 10.1038/nnano.2007.290

    66. [66]

      D Franklin, A. D. Nature 2013, 498, 443. doi: 10.1038/498443a

    67. [67]

      Cao, Q.; Han, S. J.; Tulevski, G. S.; Zhu, Y.; Lu, D. D.; Haensch, W. Nat. Nanotechnol. 2013, 8, 180. doi: 10.1038/nnano.2012.257

    68. [68]

      Kuznetsov, A. A.; Fonseca, A. F.; Baughman, R. H.; Zakhidov, A. A. ACS Nano 2011, 5, 985. doi: 10.1021/nn102405u

    69. [69]

      Liao, Y.; Jiang, H.; Wei, N.; Laiho, P.; Zhang, Q.; Khan, S. A.; Kauppinen, E. I. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 9797. doi: 10.1021/jacs.8b05151

    70. [70]

      Shan, C.; Zhao, W.; Lu, X. L.; O'Brien, D. J.; Li, Y.; Cao, Z.; Suhr, J. Nano Lett. 2013, 13, 5514. doi: 10.1021/nl403109g

    71. [71]

      Hough, L. A.; Islam, M. F.; Hammouda, B.; Yodh, A. G.; Heiney, P. A. Nano Lett. 2006, 6, 313. doi: 10.1021/nl051871f

    72. [72]

      Kim, K. H.; Oh, Y.; Islam, M. F. Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 377. doi: 10.1002/adfm.201201055

    73. [73]

      Du, R.; Wu, J.; Chen, L.; Huang, H.; Zhang, X.; Zhang, J. Small 2014, 10, 1387. doi: 10.1002/smll.201302649

    74. [74]

      Wei, F.; Zhang, Q.; Qian, W. Z.; Yu, H.; Wang, Y.; Luo, G. H.; Wang, D. Z. Powder Technol. 2008, 183, 10. doi: 10.1016/j.powtec.2007.11.025

    75. [75]

      Jia, X.; Wei, F. Topics Curr. Chem. 2017, 375, 18. doi: 10.1007/s41061-017-0102-2

    76. [76]

      He, M.; Magnin, Y.; Amara, H.; Jiang, H.; Cui, H.; Fossard, F.; Castan, A.; Kauppinen, E.; Loiseau, A.; Bichara, C. Carbon 2017, 113, 231. doi: 10.1016/j.carbon.2016.11.057

    77. [77]

      Magnin, Y.; Amara, H.; Ducastelle, F.; Loiseau, A.; Bichara, C. Science 2018, 362, 212. doi: 10.1126/science.aat6228

    78. [78]

      Hussain, A.; Liao, Y.; Zhang, Q.; Ding, E. X.; Laiho, P.; Ahmad, S.; Wei, N.; Tian, Y.; Jiang, H.; Kauppinen, E. I. Nanoscale 2018, 10, 9752. doi: 10.1039/C8NR00716K

    79. [79]

      Wilder, J. W.; Venema, L. C.; Rinzler, A. G.; Smalley, R. E.; Dekker, C. Nature 1998, 391, 59. doi: 10.1038/34139

    80. [80]

      Hashimoto, A.; Suenaga, K.; Gloter, A.; Urita, K.; Iijima, S. Nature 2004, 430, 870. doi: 10.1038/nature02817

    81. [81]

      Bachilo, S. M.; Strano, M. S.; Kittrell, C.; Hauge, R. H.; Smalley, R. E.; Weisman, R. B. Science 2002, 298, 2361. doi: 10.1126/science.1078727

    82. [82]

      Araujo, P. T.; Jorio, A. Phys. Status Solidi B 2008, 245, 2201. doi: 10.1002/pssb.200879625

    83. [83]

      Joh, D. Y.; Herman, L. H.; Ju, S. Y.; Kinder, J.; Segal, M. A.; Johnson, J. N.; Chan, G.; Park, J. Nano Lett. 2010, 1, 1. doi: 10.1021/nl1012568

    84. [84]

      Tans, S. J.; Verschueren, A. R.; Dekker, C. Nature 1998, 393, 49. doi: 10.1038/29954

    85. [85]

      Appenzeller, J.; Lin, Y. M.; Knoch, J.; Avouris, P. Phys. Rev. Lett. 2004, 93, 196805. doi: 10.1103/PhysRevLett.93.196805

    86. [86]

      Shulaker, M. M.; Hills, G.; Patil, N.; Wei, H.; Chen, H. Y.; Wong, H. S. P.; Mitra, S. Nature 2013, 501, 526. doi: 10.1038/nature12502

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  32
  • 文章访问数:  1847
  • HTML全文浏览量:  323
文章相关
  • 发布日期:  2020-01-15
  • 收稿日期:  2019-07-04
  • 接受日期:  2019-08-01
  • 修回日期:  2019-08-01
  • 网络出版日期:  2019-01-29
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章