中国粉体网讯 碳纳米管是上世纪九十年代初被发现的一种一维纳米碳材料，具有优异的机械性能、导电性能、导热性能和化学稳定性。目前，碳纳米管在导电塑料、结构塑料中作为导电剂、增强剂已经得到了广泛应用。此外在储氢材料、化合物合成非贵重金属催化剂制备、高强高韧复合陶瓷制造、医疗细胞毒性分析检测技术、润滑油制造、水泥应用等领域的研究也都在稳步进行。
在锂离子电池领域，碳纳米管可以发挥重要作用。例如，它可以作为正极材料的导电剂使用。传统的电池正极导电材料是导电炭黑和导电石墨，相比碳纳米管，这两类材料的导电率相对较低，作为导电材料的添加量都比较高。碳纳米管的导电率优于这两种材料，在电池正极中的添加量少，相对使正极活性材料含量增加，从而可以提高电池容量。另外，碳纳米管还可以作为锂离子电池负极材料。碳纳米管具有很高的强度，高电导率和相对惰性等理想特性。它的形态使它特别适合替代石墨作为商用锂离子电池负极材料。碳纳米管不仅具有比石墨更高的容量，并且它还可用作支撑基质，以形成新型的碳纳米管和金属复合材料。不过，碳纳米管粉体在实际应用中需要解决杂质问题。
1、碳纳米管的制备
碳纳米管最早是通过石墨电弧放电法制备得到，之后随着研究的深入，人们探索了多种制备碳纳米管的方法，如电弧放电法、激光蒸发法、催化热解法、固相热解法、电化学法和火焰法等，这些方法通过施加各种形式的外加能量，先将碳源分解为原子或离子形式，然后再凝聚得到一维结构的碳纳米管。目前，碳纳米管的制备方法主要有三种，即电弧放电法、激光蒸发法和化学气相沉积法，电弧放电法和激光蒸发法可制备高质量碳纳米管样品，不过这两种方法不适用于大规模商业化制备。化学气相沉积法的可控性较强，成本低、产量大，是可以实现规模化制备的方法。
电弧放电法装置简图
激光蒸发法装置简图
化学气相沉积法制备碳纳米管工艺流程框图
化学气相沉积法制备碳纳米管装置原理图
2、碳纳米管为什么需要提纯？
工业生产碳纳米管的主流技术是化学气相沉积法，该法制备碳纳米管需要使用催化剂，并且制备的碳纳米管具有不完善的石墨晶体结构，存在许多缺陷，所以它的许多性能达不到理论计算预测值。由于需要金属催化剂，所以化学气相沉积法生产的碳纳米管坯料中通常含有百分之几的金属元素，这些金属主要是铁、钴、镍、钼等，对于锂电池，一般要求这些金属含量小于几十ppm，所以应用于锂离子电池的碳纳米管粉料需要提纯处理。
3、碳纳米管提纯方法有哪些？
碳纳米管的提纯方法可以分为两类：物理纯化法和化学纯化法。
物理纯化法是基于碳纳米管与杂质在形状、尺寸、溶解度、重力和磁性等物理性质的差异，利用超声波降解、离心、过滤、沉积、凝胶渗透色谱法、电泳、高温（1400~2800℃）退火等物理技术将碳纳米管从杂质中分离出来，从而达到纯化目的。
化学纯化法是基于碳纳米管和无定形碳、催化剂粒子等杂质的化学性质存在差异，通过选用气相刻蚀剂或液相氧化剂选择性去除无定形碳、催化剂等杂质的一种分离方法。根据选用的氧化剂不同，化学纯化法可分为气相氧化法、液相氧化法和电化学氧化法。
物理纯化法可有效去除孤立的碳纳米颗粒、石墨片等杂质，但提纯效率低、产率低；化学法可有效去除高活性的无定形碳、易溶于酸中的金属颗粒等杂质，但很难除去高稳定性的石墨颗粒。因此，也有研究者结合物理法和化学法的优势，提出一些综合性提纯法。
4、用艾奇逊炉提纯碳纳米管
化学提纯可以减少碳纳米管中的金属含量，使之达到锂离子电池应用的标准，这是目前碳纳米管工业普遍使用的方法，但是化学提纯方法对环境污染很大，受到国家政策的严格限制，所以许多碳纳米管生产厂家都在考虑转用高温提纯碳纳米管。高温提纯碳纳米管工艺是在高温负压设备中进行，在负压条件下，碳纳米管中的金属元素的沸点一般在2000~2600℃，提纯的碳纳米管中的金属含量可以降低到0.02%~0.01%。一般负压提纯设备价格昂贵，一次处理碳纳米管数量少,不适于大规模提纯碳纳米管。艾奇逊炉是一种高温窑式石墨化炉，可在大气环境下工作，工作温度可达3000℃，被用于工业制造人造石墨已有100多年历史。艾奇逊炉容量可以做得很大，是大批量低成本生产人造石墨的理想炉型。
目前艾奇逊炉是生产锂离子电池石墨负极的主要窑炉。碳纳米管坯料中一般含金属氧化物、非金属氧化物，其中金属氧化物包括氧化铁、氧化镍、氧化钴、氧化镁、氧化铝、氧化锆、氧化稀土等，非金属氧化物主要是二氧化硅。理论分析表明利用艾奇逊炉高温处理碳纳米管坯料可以去除这些杂质。艾奇逊炉的内部工作气氛是以一氧化碳为主的还原性气氛，在这种气氛和温度条件下，上述氧化物都将被还原成单质，这些单质的沸点都低于2800℃，所以用艾奇逊炉可以有效去除碳纳米管中的杂质，使碳纳米管纯度达到电池级别要求。
研究人员用艾奇逊炉在不同温度条件下对碳纳米管进行提纯，研究表明，当提纯温度为3000℃时，碳纳米管的石墨化程度大幅提高，导电率提高；提纯温度低于2800℃时，碳纳米管石墨化程度变化不大，但电阻率增加。高温提纯可以减少碳纳米管表面含氧官能团。
参考来源：
汪凯.单壁碳纳米管的纯化研究
李磊，等.碳纳米管在锂离子电池中的应用综述
陈隆波，等.用艾奇逊炉在不同温度提纯碳纳米管
钟良伟，等.艾奇逊炉提纯碳纳米管的组织结构性能表征
（中国粉体网编辑整理/文正）
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