碳纳米管功能材料的最新研究与应用前景 | ACS Nano综述
碳纳米管功能材料(CNTFMs)是将纳米科学和纳米技术转化为实际应用的一个重要研究领域，在科学、技术和工程领域具有潜在的影响。
近日，北京大学曹安源教授团队在《ACS Nano》期刊发表名为“Application-Driven Carbon Nanotube Functional Materials”的综述。
文章综述了CNTFMs的最新研究进展和应用前景，突出了关键问题和未来的挑战。重点研究了宏观长纤维、薄膜、块状海绵等不同尺寸、特征明显的典型CNTFMs，并涵盖了多种衍生复合/分层材料。本文还特别讨论了与它们的结构、性质和应用有关的关键问题，如在机械和电子设备、先进的能量转换和存储系统以及环境领域中作为坚固的导电骨架或高性能柔性电极的应用。最后，为克服目前的障碍和促进今后的工作提出了可能的解决方案和方向。
CNT纤维基功能材料:现状与展望
碳纳米管具有大长径比的一维结构，可以纺成与传统棉线相似的长连续纤维。最吸引人的特性是，CNT纤维集成了优良的机械和电气性能以及优越的柔韧性，而传统的聚合物或碳纤维通常只有一或两种这些性能。目前，通过化学气相沉积(CVD)、溶液挤压或超对齐阵列干纺丝等工艺，已经实现了长度可达公里的CNT纤维的连续大规模制备。此外，具有大表面积的CNT组装结构使制备功能器件成为可能，将未来的应用从结构材料扩展到能源、环境、电子设备和智能纺织品等广泛领域。最有前景的两个方向可能是:(1)以碳纳米管纤维为主要骨架(像碳纤维一样;见表1）(2)纤维形状的功能材料和器件，将是柔性和可编织的，用于传感器和执行器，以及能量转换和存储。为此，许多研究集中在工程微结构，提高强度和电导率，以及探索优化的器件配置和性能。
图文解析
表1. CNT纤维基材料的应用:目前的竞争材料和研究方向
图1. 增强导电多功能碳纳米管纤维及纳米复合材料。(a) CNT纤维的轧制和致密化。(b) CNT纤维的聚合物渗透和碳化。(c) CNT纤维的金属包覆与扩散。
图2. CNT纤维传感器和执行器。应变、温度、液体和气体传感器。(b)拉伸和扭转执行器。(c)能源收割机和冷藏设备。
图3. CNT纤维为基础的柔性能源装置。(a)在CNT纤维上装载活性材料。(b) CNT纤维基LED、超级电容器、锂离子电池和其他电池。(c)基于CNT纤维的可拉伸分层电极。
图4.(a)碳纳米管膜的结构特征示意图，包括随机碳纳米管、定向碳纳米管和基于碳纳米管的杂化膜，(b)它们对应的结构工程，(c)应用前景广阔
图5. (a, b)随机碳纳米管薄膜的合成方法及热点应用。(c, d)定向CNT薄膜的合成方法及热点应用。(e, f) CNT基杂化膜的合成方法及应用热点。
图6. 三维CNT组件和复合材料示意图:其制造方法和结构(内圆)和典型的结构工程策略(外圆)。
图7. 三维CNT组件和复合材料的典型应用。(a)环境应用 (b)机电设备、柔性导体和电磁干扰屏蔽 (c)热电应用程序 (d)电催化作用的应用程序 (e)电化学储能和后发电系统。
表2. 3D CNT组件和复合材料(3DCAC)应用:目前的竞争材料和研究方向
总结和展望
本文综述了基于一维到三维结构(纤维、薄膜和阵列/海绵)的CNTFMs的特点和最新研究进展，并讨论了CNTFMs在各个领域的实际应用面临的挑战和可能的解决方案。
机械相关应用和CNT材料方法。未来的研究包括高性能(如强度、电导率和热传导率)CNT纤维和多功能增强纳米复合材料。如前所述，机械致密化(如收缩和轧制)、聚合物渗透(碳化)和最近的金属封装(随后是热扩散)是进一步改善纤维性能的有效方法。超长无缺陷碳纳米管如果能够大规模生产，将导致具有额外普通力学性能(例如极高的强度、韧性和抗疲劳性能)的先进纤维材料。此外，3D多孔CNT海绵、CNT海绵/碳纤维多尺度结构，甚至CNT海绵/CNT纤维结构都是制备多功能碳纳米复合材料的潜在内置框架，具有增强界面/基体和高导电性。多层碳纳米管纤维(如扭曲、盘绕和渗透)及其拉伸/扭转致动器可以扩展其在能源收集和热制冷方面的应用。在纤维、纺织品和3D多孔网络/复合材料的基础上，可以开发出多种功能系统，还可以提高可穿戴设备的灵活性和抗疲劳能力，或增强电池电极的面积/体积容量。
电子，光电子，热电应用， CNT材料方法。网状自立式CNT薄膜是作为机械坚固，但高柔性，耐腐蚀，透明导电电极的理想候选人，用于各种电子和光电子取代ITO和金属基电极。通过掺入碳纳米管，调整微观结构(如定向或随机网络)，形成一维/二维杂化复合材料(如碳纳米管/石墨烯和碳纳米管/ MoS2)，可以进一步提高碳纳米管的导电性能和透明度。晶片规模的高纯度和高密度半导体 CNT晶体管和集成电路最近已经实现，在低成本的可扩展生产(通过直接增长或后组装路线)高性能CNT器件将有更多的进展。此外，碳纳米管薄膜的互连多孔结构和三维网络导致高导电性但很低的热导率。这一特点为开发太阳能蒸汽发电系统带来了机遇，该系统具有更好的光吸收、水运输和隔热性能，以及热电装置具有更强的优点。将碳纳米管与传统半导体和许多新兴二维材料相结合，探索混合维范德瓦尔斯异质结和下一代光电子器件的物理性质也将是非常有趣的。
电化学催化和能量存储应用以及CNT材料方法。3D碳纳米管网络(如海绵)在电化学应用方面具有独特的优势，因为它们具有高导电性的电子传输路径、用于离子传输和电解质/气体通道的分层多孔结构、机稳定性和作为独立柔性电极的潜力。3D碳纳米管网络可直接应用于各种电化学系统，包括电催化、超级电容器、金属离子电池和下一代金属−S/−空气电池，或作为阴极和阳极的导电框架。三维多孔碳纳米管网络作为阴极，适合接枝活性材料构建具有定制微结构、可容纳放电产物和电极体积变化的杂化复合材料。与传统的锂箔相比，复合阳极可以通过将锂渗透到三维碳纳米管网络中来设计，有望克服树枝晶形成和粉碎等重大挑战。这些策略利用了高多孔和分层的三维碳纳米管复合电极，大幅提高了电化学系统的整体性能，包括比容量、速率能力、循环稳定性、可靠性和安全性。此外，高柔韧性和导电性的碳纳米管纤维和薄膜可以构建成智能纺织品和可穿戴电源系统。
CNT材料实用应用的安全问题。提到CNTFMs的实际应用(如在可穿戴设备上)，纳米毒性和电化学安全应受到高度关注。一方面，碳纳米管于2020年被ChemSec作为一个整体加入到SIN(“立即替换”)清单中。另一方面，仅某些类型的长而刚性的CNTs（纯度> 55％的SWCNTs，直径小于2 nm，长度5-15μm和MWCNT-7）被国际癌症研究机构（IARC）归类为“可疑致癌物”。实际上，CNTs是一类具有丰富多样性的材料，大多数它们（尤其是短的和可溶的）没有明显的毒性证据。对于那些有潜在风险的碳纳米管，适当的化学功能化可以减少其危害。我们还强调指出，上述宏观1D，2D和3D组件中的CNTs通常被范德华相互作用紧密缠结，形成稳定的整体结构，即不容易脱落和被吸入，或穿透皮肤此外，在较宽的电压范围内，碳纳米管与温和的化学试剂具有化学稳定性和惰性。综上所述，CNTFMs具有广泛的应用基础，但应避免过度接触，并采取适当的保护措施，以确保安全。CNTFMs和相关技术为改变我们的生活和社会提供了巨大的潜力，未来存在着巨大的机遇。
文献链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.0c10662