? 碳納米管是由卷起的石墨烯片形成的分子管。它們具有令人難以置信的物理和電子特性，這使它們成為近年來學(xué)術(shù)界和工業(yè)界大量研究的主題。人們已經(jīng)預(yù)測了許多應(yīng)用，但由于高質(zhì)量納米管的制造成本較高，很少有應(yīng)用達(dá)到商業(yè)階段。
碳納米管的合成方法
電弧蒸發(fā)合成，也稱為電弧放電，長期以來被認(rèn)為是合成富勒烯的最佳方法，并且它還能生成高質(zhì)量的碳納米管。電弧蒸發(fā)裝置由兩個(gè)位于氦氣下的石墨電極組成。大約50A的電流在電極之間通過，導(dǎo)致陽極的一些石墨蒸發(fā)并凝結(jié)在陰極上，這種沉積物含有碳納米管。
使用純石墨電極的電弧蒸發(fā)主要產(chǎn)生多壁納米管，盡管可以通過在陽極中摻雜金屬催化劑（例如鈷或鎳）來制造單壁納米管。雖然通過電弧放電生產(chǎn)的納米管質(zhì)量非常高，但它們與大量無定形碳混合，這使得該技術(shù)難以大規(guī)模生產(chǎn)。
激光汽化（或激光燒蝕）方法于1995年開發(fā)出來。在惰性環(huán)境中，在高溫高壓下，將脈沖激光發(fā)射到石墨靶上。目標(biāo)通常放置在50厘米石英管的一端，納米管收集在另一端。激光汽化產(chǎn)生的納米管的形狀和結(jié)構(gòu)更容易控制，因?yàn)樗鼈冎皇艿缴贁?shù)參數(shù)的影響。碳納米管的產(chǎn)率也高得多，產(chǎn)生的無定形碳很少，但產(chǎn)生的總量很小。再加上高操作溫度和壓力，使得該方法生產(chǎn)大量碳納米管的效率極低。
化學(xué)氣相沉積 (CVD)是有希望大規(guī)模生產(chǎn)碳納米管的方法。它在低得多的溫度下運(yùn)行，并且比電弧放電或激光汽化產(chǎn)生更多數(shù)量的納米管。
CVD使用富含碳的氣體原料，例如乙炔或乙烯。氣體通過沉積在多孔基材（例如二氧化硅、氧化鋁）上的金屬納米顆粒催化劑（通常為鐵、鎳或鉬）。當(dāng)氣體分子經(jīng)過催化劑時(shí)，碳原子從氣體分子中解離，在表面重新排列形成納米管和富勒烯。這使得納米管能夠連續(xù)合成，使該技術(shù)成為擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模的理想選擇。
CVD所用催化劑的選擇至關(guān)重要。改變催化劑可以完全改變所生產(chǎn)的納米管的質(zhì)量和產(chǎn)量。碳納米管的直徑還直接取決于所使用的催化劑顆粒尺寸，因?yàn)轭w粒使納米管的生長成核。所用基材的特性也很重要?；牟牧蠎?yīng)該能夠在高溫下保持高表面積和孔體積——碳納米管在多孔表面上生長得明顯更快，因?yàn)樘荚涌梢源┻^基材連接生長結(jié)構(gòu)。
碳納米管的純化
碳納米管通常與一系列富勒烯和無定形碳結(jié)合生產(chǎn) - 將所需的納米管與其他物質(zhì)分離可能存在問題。大多數(shù)合成方法還產(chǎn)生一系列納米管尺寸和結(jié)構(gòu)。雖然可以優(yōu)化合成方法以降低所需的純化程度，但對于要求苛刻的應(yīng)用，納米管始終需要有效地清潔和分類。
結(jié)構(gòu)特異性碳納米管合成
目前大多數(shù)碳納米管合成的本體合成方法的一個(gè)主要問題是缺乏對其結(jié)構(gòu)的控制。納米管的許多高價(jià)值應(yīng)用都需要特定的類型，無論是單壁、手性、卷曲、喇叭形等。如果納米管可以制成宏觀結(jié)構(gòu)或排列，這也是非常有用的，因?yàn)檫@通常是它們的制作方式需要使用，因此可以避免復(fù)雜的物理操作步驟。
納米線圈
卷曲納米管因其獨(dú)特的機(jī)械和電磁特性而備受關(guān)注，是使用精心選擇的催化劑合成的。最成功的催化劑通常由鐵或鎳與氧化銦錫 (ITO) 或氧化鋁或噻吩雜質(zhì)混合而成。對鐵/ITO催化劑進(jìn)行了一些詳細(xì)的研究，并確定ITO誘導(dǎo)了所需的螺旋生長，并且銦/錫比例在一定程度上控制了納米管和納米線圈的產(chǎn)率。
納米角
圓錐形或喇叭形單壁納米管，稱為納米角，是另一種引起人們極大興趣的替代納米管結(jié)構(gòu)。已經(jīng)提出了許多利用其高孔隙率、優(yōu)異的電流處理和良好的催化活性的應(yīng)用。
雖然以良好的產(chǎn)率合成它們是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，但“花狀”納米角聚集體已經(jīng)通過各種方法合成，這些方法可以快速淬滅電弧蒸發(fā)中的碳蒸氣。大規(guī)模生產(chǎn)納米角最有前途的方法是在薄石墨管中使用電弧炬，將其浸入水中并在惰性氣體流下進(jìn)行。人們發(fā)現(xiàn)單壁納米角漂浮在水面上。
有序納米管
使用改良的CVD技術(shù)，納米管可以生長在有序的“森林”結(jié)構(gòu)中。通過將金屬催化劑以規(guī)則的圖案沉積到基底表面上，納米管可以成核的位點(diǎn)受到限制，并且管子完全平行、垂直于表面生長。
