碳纳米管的批量制备和应用

    2．碳纳米管作为催化剂载体的研究
    纳米材料比表面积大，表面原子比率大(约占总原子数的50％)，使体系的电子结构和晶体结构明显改变，表现出特殊的电子效应和表面效应。如气体通过碳纳米管的扩散速度为通过常规催化剂颗粒的上千倍，担载催化剂后极大提高催化剂的活性和选择性。

    碳纳米管作为纳米材料家族的新成员，其特殊的结构和表面特性、优异的储氢能力和金属及半导体导电性，使其在加氢、脱氢和择型催化等反应中具有很大的应用潜力。碳纳米管一旦在催化上获得应用，可望极大提高反应的活性和选择性，产生巨大的经济效益。

    3．碳纳米管作为电极材料的研究
    (1)锂离子电池负极材料。CNTs的层间距为0.34nm，略大于石墨的层间距0.335nm，这有利于Li⁺离子的嵌入与迁出，它特殊的圆筒状构型不仅可使Li⁺从外壁和内壁两方面嵌入，又可防止因溶剂化Li⁺离子嵌入引起的石墨层剥离而造成负极材料的损坏。CNTs掺杂石墨时可提高石墨负极的导电性，消除极化。实验表明，用CNTs作为添加剂或单独用作锂离子电池的负极材料均可显著提高负极材料的嵌Li⁺容量和稳定性。

    (2)电双层电容极材料。电双层电也是一种能量存储装置。除容量较小（一般为二次镍镉电池的1％）外，电双层电容的其它综合性能比二次电池要好得多，如可大电流充放电，几乎没有充放电过电压，循环寿命可达上万次，工作温度范围宽等。电双层电容在声频一视频设备、调谐器、电话机和传真机等通讯设备及各种家用电器中得到了广泛应用。

    作为电双层电容电极材料，要求材料结晶度高，导电性好，比表面积大，微孔大小集中在一定的范围内。而目前一般用多孔炭作电极材料，不但微孔分布宽(对存储能量有贡献的孔不到30％)，而且结晶度低，导电性差，导致容量小。没有合适的材料是限制电双层电容在更广阔范围内使用的一个重要原因。

    碳纳米管比表面积大，结晶度高，导电性好，微孔大小可通过合成工艺加以控制，因而有可能成为一种理想的电极材料。美国Hyperion催化国际有限公司报道，以催化裂解法制备的碳纳米管（管外径约8nm）为电极材料，以38wt%H₂SO₄为电解液，可获得大于113F/g的电容量，比目前多孔炭电容量高出2倍多。我们以外径30nm的碳纳米管为电极材料，以PVDF为粘结剂，以1MN(C₂H₅)₄BF₄／PC为电解液构成电双层电容，测得碳纳米管电极电容量为89F/g。

    目前以碳纳米管为电极材料的电双层电容，其重量比功率已超过8kw/kg，使其有可能作为电动汽车的启动电源使用。

三、下一步工作打算

    在批量制备方面，进一步完善移动床催化裂解工艺、优化沸腾床催化裂解工艺，确定制造指定规格(管径大小、管的长短和螺旋性等)碳纳米管的催化剂组成与工艺条件，用沸腾床或移动床合成出公斤级设计尺寸的碳纳米管，进行制备碳纳米管扩大试验工艺流程的概念设计。

    在应用研究方面，集中力量研究CNTs的电磁波吸收特性、作为电极材料的电化学性能以及作为催化剂载体的特性。在作为微波吸收剂方面，重点研究碳纳米管的微观尺寸、形状以及表面状态与微波吸收性能之间的关系，为制备具有实用价值的碳纳米管微波吸收剂提供理论依据。同时研究碳纳米管中引入量对其作为微波吸收剂性能的影响，为碳纳米管微波吸收剂的实际应用奠定基础。

    在作为电极材料方面，重点研究CNTs的尺寸、表面基团、电极成型压力(CNTs孔隙率)以及电解液等对CNTs电化学性能的影响。

    对于Rh／CNTs催化NOx的分解反应，我们将深入研究CNTs对CO和烃类还原分解NOx的性能，开发三效（three－way）催化剂。

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