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纳米材料领域的新突破——

清华大学新技术可大批量生产碳纳米管

科学时报 2001年11月22日

本报讯(通讯员 刘冬梅) 日前,我国碳纳米技术研究开发领域传出捷报:由清华大学化工系教授、北京市绿色反应工程与工艺重点实验室主任、教育部特聘教授魏飞领导的课题组,采用纳米聚团床反应器制备碳纳米管的新技术,与南风化工集团股份有限公司合作,成功地实现了15公斤/小时碳纳米管大批量生产,创目前国际多壁碳纳米管产业化制备能力的最新记录。以每年8000小时计算,碳纳米管制备能力达到120吨/年。这项新技术于11月9日通过了由教育部组织的专家鉴定。

 据悉,北京市绿色反应工程与工艺重点实验室在金涌院士、魏飞教授的带领下,在烃类裂解及流化床反应器工程化方面进行了20余年大量而深入的研究,目前已有30余台各类工业反应器采用清华大学的技术。该研究室立足于工程实际与过程开发,自1991年来进行了大量纳米材料制备反应器工程放大研究,近年来在纳米材料流态化研究中提出了纳米聚团流态化的概念,并以此为支撑开发出了纳米聚团床反应器技术,可实现以多种烃类为原料的碳纳米管大批量制备。

 据介绍,该技术可在较低温度下实现纯度80%以上多种型貌碳纳米管低成本可控制备,可生产外径在4-60纳米,内径在2-20纳米,管壁石墨层可实现倾斜或平行排列的不同结构的碳纳米管。其技术特点是连续化、能耗低、放大效应小,适合产业化推广。目前南风化工集团股份有限公司已与清华大学合作成立了清华-南风纳米粉体产业化工程中心,以共同推动这一技术的产业化。

 由两院院士参与的鉴定委员会一致认为,纳米聚团床反应器生产碳纳米管技术经工业示范规模试验,证明技术可靠,居于国际领先水平,建议尽快组织碳纳米管的工业生产和应用研究,早日推广该技术成果。

 碳纳米管于1991年由日本电镜学家饭岛教授通过高分辨电镜发现,属碳材料家族中新的一类,是由类似石墨的碳原子六边形网格所组成的管状物。碳纳米管一般为多层,直径为几纳米至几十纳米,长度可达数微米甚至数毫米,具有极高的杨氏模量及不寻常的电、磁性能。

 例如,碳纳米管具有奇异的微观力学性能,是潜在的超强材料。据理论计算,其强度可达钢的近百倍而重量仅为其1/7。碳纳米管的储气能力极强,多壁碳纳米管储氢量可达4.2wt%,使其成为唯一有可能达到美国能源部规定的6.5wt%预期指标的储氢材料,这将在燃料电池汽车以及其它需要大量储能的装置上得到广泛应用。此外,碳纳米管具有的比表面积适中、充放电能力强等物理及电学特性,可用于汽车、机械、电子、军事等领域的超级电容器制造,并可与各种金属、非金属及高分子材料组成性能各异的高强度复合材料、电屏蔽材料及隐身材料等等。

 以上诸多潜在的应用领域对于国家安全、国民经济及科技发展均十分重要。为此,美国国家航空航天局及国防部将其研究与开发列为国家安全重要的发展计划,并促成了美国国家纳米发展行动计划。

 碳纳米管作为一种新型材料被发现至今已近十年,但尚未得到工业应用,主要有两大制约因素,一是价格,二是深入的应用技术开发。例如,国际市场90%纯度的碳纳米管报价为60美元/克,是黄金价格的5倍以上。据最新报道,国际最高制备能力仅达到日产公斤量级的碳纳米管。因此,有资料分析,只有当碳纳米管的价格降至0.4美分/克时,碳纳米管才能得到大范围工程应用,与此相匹配的制备能力应达到12.5吨/天。碳纳米管大批量低成本制备技术就成为其大规模应用的瓶径。魏飞教授说:“多壁碳纳米管日产百公斤的突破,将使纳米管应用变成现实,对未来科技发展和国防产生深远影响。”


(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2001-11-22]
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