Page 66 - 《精细化工》2022年第11期
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·2216· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 39 卷
化，这种再杂化结构特点以及 π 电子离域结构赋予 CNT，制备的 CNT 具有性能好、管径小和纯度高等
了 CNT 特异的光、电、磁、热、化学和力学性能 [3-5] 。 优点 [11] ，但由于设备昂贵，现已较少使用。CVD 具
有操作简单、绿色环保、温度低等优点，在 CNT 可
控制备方面已显示出巨大的优越性，其工作原理是
使碳源气体在高温下发生裂解，沉积在催化剂颗粒
周围，并不断地溶解在催化剂内部，当达到溶解极
限时，在其表面结晶析出 CNTs。与前两种方法相比，
CVD 在纯度、成品率、晶体硬度、结构控制等方面
图 1 SWCNT（a）、双壁 CNT（b）和 MWCNT（c）的 具有明显的优势。
[2]
表面和内部视图 CVD 也是合成 CNTA 的有效手段，在 CVD 反
Fig. 1 Surface and internal views of SWCNT (a), doubled-
walled CNT (b) and MWCNT (c) [2] 应中施加一定外力可控制 CNT 的定向生长，如电
场、气流、原子步长、晶格取向等 [12] 。CVD 中 CNTA
与随机排列的 CNT 相比，定向 CNT 阵列 的生长可以分为 4 个过程：催化剂还原、CNT 成核、
（CNTA）（图 2）因具有独特的结构和更优异的力 CNT 生长、催化剂失活导致的生长终止。在 CNT
[6]
学、电学和热学特性而备受关注 。定向 CNTA 就 生长过程中，需要先引入 H 2 、CO 等还原性气体，
是所有的 CNTs 取向基本一致，CNTs 的取向垂直或 将氧化物状态的催化剂还原，部分碳原子在催化剂
[7]
平行于基体。CNTA 具有优异的电导率 、大的比 表面形成 CNT 帽，并由多余的碳原子组装成核，
[8]
表面积、发达的多孔结构和良好的电化学性能 ， 其余碳原子继续加入使 CNT 延伸，最后，由于奥
已在电化学储能、电化学传感器等领域得到了广泛 斯特瓦尔德成熟引起的颗粒聚结 [13] 、CNT 在基底上
[9]
的研究 。 旋转时遇到的排斥力、过量的碳供应使催化剂颗粒
[14]
被石墨碳包裹导致催化剂失活 等原因，CNT 停止
生长。
CVD 中常见的 CNTA 量化生产设备包括流化床
和浮动催化生长体系 [15] ，其中，浮动催化生长体系
一般用于制备 CNTA 薄膜，流化床反应器更具优势，
如为 CNTA 的生长提供了足够的空间、易于放大和
连续操作等 [16] 。因此，流化床反应器更容易实现
CNTA 产量的放大，从而成为当下 CNT 商业化普遍
采用的设备。
迄今为止，CNTA 已实现大规模生产，但其制
备技术仍面临着巨大挑战，如难以实现低成本、高
图 2 垂直 CNTA 示意图 [6]
Fig. 2 Schematic diagram of vertical CNTA [6] 质量 CNTA 的大规模生产；没有完全掌握 CNTA 的
生长机理；反应过程中存在多种生长方式；难以实
本文综述了 CNTA 在电化学中的最新研究进 现完全手性可控等。
展，结合当前研究工作探讨了现有成果的优势与不
足，对其未来发展进行了展望。 2 碳纳米管阵列在电化学中的应用
1 碳纳米管阵列的制备 2.1 在新型电池中的应用
CNTA 作为一种新型的电化学储能电极材料，
CNT 的制备方法有多种，如电弧放电法、激光 引起了人们的广泛关注 [17] 。排列整齐的 CNTA 之间
烧蚀法、化学气相沉积法（CVD）等。电弧放电法 的通道保证了离子在电极内部的扩散速度，其高导
是在一定条件下使掺有催化剂石墨电极间的气体导 电性可以实现电荷在 CNTA 制备的电极中快速移
电，阳极石墨蒸发，同时阴极沉积 CNT 的过程 [10] 。 动。因此，CNTA 在锂离子、太阳能、锌空气、燃
该方法可以制备缺陷少、结晶度好的 CNT，制备的 料电池等新型电池中都有着极高的研究价值。
CNT 具有较好的电学和力学性能，但由于制备参数 2.1.1 锂离子电池及其新型复合电池
不易调控，难以实现 CNT 精细结构的控制。激光烧 锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池，正
蚀法是利用高能激光轰击掺杂催化剂的石墨靶表 负两极由两种化合价不同的锂离子化合物组成。当
面，产生大量的气态碳，并在反应腔内重组形成 电池充电时，锂离子从正极脱嵌出来，进入电解液
