清华大学新突破：碳纳米管在传感器与能源领域的双重突破

清华大学新突破：碳纳米管在传感器与能源领域的双重突破

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https://finance.sina.com.cn/stock/hkstock/ggscyd/2025-02-04/doc-ineihkcn4190341.shtml

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https://www.aibang.com/a/19888

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2024年8月，清华大学化工系张如范课题组在碳纳米管研究领域再次取得重要突破。该团队开发了一种基底拦截导向策略，成功解决了超长碳纳米管批量制备的难题，并在此基础上研制出高性能光电探测器和气流传感器，为碳纳米管在传感器领域的广泛应用开辟了新途径。

超长碳纳米管因其独特的物理化学性质，在传感器领域展现出巨大应用潜力。然而，传统生长方法存在催化剂利用率低、产率低等问题，严重制约了其实际应用。张如范课题组创新性地提出了基底拦截导向策略，通过优化催化剂颗粒的分散性和活性，使超长碳纳米管的阵列密度和产率提升了2-3个数量级。

为进一步提升产率和均匀性，研究团队还开发了浮游双金属催化剂的原位气相合成方法。这一技术突破使得30厘米级碳纳米管水平阵列的大面积均匀制备成为可能，为超长碳纳米管在高端传感器件中的广泛应用奠定了基础。

基于超长碳纳米管的优异性能，张如范课题组成功开发了多种高性能传感器。其中，基于悬空超长碳纳米管网络的气流传感器展现出卓越的灵敏度和响应速度。该传感器利用碳纳米管轻质、超柔的特性，实现了高灵敏度、超快响应和低检出限等优异性能。

在光电探测领域，研究团队创新性地提出利用悬空结构避免基底声子散射的不利影响，并通过优化超长碳纳米管的面密度，实现了光电探测性能的全面提升。实验结果显示，悬空超长碳纳米管光电探测器在相同的激光波长和功率密度下，光电导响应是传统器件的近8倍，且具有更快的响应速率（电流上升与下降时间在0.13-0.18ms范围内）。

除了在传感器领域的突破，碳纳米管在能源领域也展现出广阔的应用前景。其独特的结构和优异的物理化学性质，使其成为理想的能源存储和转换材料。

储氢材料的新选择

碳纳米管作为物理吸附类储氢材料，具有高比表面积和丰富的微孔结构，能够有效提高氢气的吸附量。通过表面改性或与其他材料复合，可以进一步提升其储氢性能。研究表明，经过处理的碳纳米管储氢能力接近美国能源部对车用储氢技术的标准，显示出在氢能领域的巨大潜力。

锂电池导电剂的革新

碳纳米管在锂电池领域的应用最为广泛。其优异的导电性和稳定性使其成为理想的电池导电剂。碳纳米管的中空管腔、管与管之间的间隙以及管壁中的空隙为锂离子提供了丰富的存储空间和运输通道，显著提升了电池的充放电性能和循环寿命。

超级电容器的突破

碳纳米管还被用作超级电容器的电极材料。其高比表面积和优异的导电性使得超级电容器具有大电流充放电能力、长循环寿命和宽工作温度范围等优点。在声频、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，超级电容器展现出广阔的应用前景。

碳纳米管的制备方法主要包括电弧放电法、激光蒸发法和化学气相沉积法。其中，化学气相沉积法因反应温度低、参数易于调控、产品纯度高且产量大，成为目前最主流的制备方法。

在纯化方面，高温法和酸洗化学法是去除残留金属杂质的常规方法。然而，这些方法存在成本高、环保压力大等问题。清华大学研究团队开发的“高温+真空+气氛”纯化方法，有效解决了这些问题，提高了碳纳米管的纯度和均一性，为产业化应用提供了重要技术支持。

清华大学在碳纳米管研究领域的最新突破，不仅推动了传感器技术的发展，更为其在能源领域的应用开辟了新途径。随着制备技术和纯化工艺的不断进步，碳纳米管有望在更多领域实现产业化应用，为科技创新和产业升级注入新的动力。