本教材針對材料科學與工程專業(yè)和新能源材料與器件專業(yè)（方向）培養(yǎng)人才的需要和課程教學要求，加強基礎，注重科研，以加強學生對基礎知識的掌握能力以及科學思維、創(chuàng)新能力和工程應用能力的培養(yǎng)為原則，對碳納米管的基礎性質、制備工藝、表征技術及在電化學儲能與轉化中的應用進行科學設計，精選內容，深入淺出，不僅涵蓋了對碳納米管基礎概念的理解，同時以最經典以及科學研究論文作為例證介紹碳納米管在不同器件中的應用，幫助學生構建一個完整的知識體系。該知識體系和內容既體現(xiàn)科學性、性、系統(tǒng)性，又做到簡明精煉，突出時代性、前沿性和實用性，加強了教材內容與新材料、新能源、新能源汽車、節(jié)能環(huán)保等國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)的聯(lián)系、反映了升級和進步，體現(xiàn)了新工科的要求。教材全面地介紹了碳納米管的基本概念、基本理論、基本知識、制備工藝方法和制備原理及在不同電化學儲能與轉化器件中的應用研究。該教材共分為緒論、碳納米管的制備、碳納米管在鋰離子電池中的應用、碳納米管在鋰硫電池中的應用、碳納米管在鈉/鉀離子電池中的應用、碳納米管在鋰金屬負極中的應用、碳納米管在燃料電池中的應用、碳納米管在電催化中的應用、碳納米管在其他儲能器件中的應用、碳納米管的機遇與挑戰(zhàn)等10章內容。
浙江省普通本科高校“十四五”新工科、新醫(yī)科、新農科、新文科重點教材，內容精練而全面，具有全面性和時代性。
序言
碳納米管的奇妙之旅在人類發(fā)展的歷史長河里，材料是文明進步的基石、科學探索的助力、經濟發(fā)展的引擎和社會生活的改善者，更是未來科技發(fā)展的關鍵所在。其中，一些材料以其獨特的性質與潛力，引領著人類文明的進步與技術的飛躍。
碳納米管，作為碳元素家族中的新星，自其被發(fā)現(xiàn)以來，便以其極高的強度、優(yōu)異的導電性、的熱傳導性能以及獨特的機械特性，迅速成為材料科學領域的璀璨明星。它們如同微觀世界的“鋼鐵俠”，以納米級的“纖細身軀”，承載著超越傳統(tǒng)材料的無限可能。
隨著對碳納米管研究的不斷深入，其應用領域也日益廣泛。從高性能復合材料、電子器件到能源存儲、生物醫(yī)學乃至環(huán)境保護，碳納米管正以其獨特的性能優(yōu)勢，推動著各行各業(yè)的技術革新與產業(yè)升級。目前，碳納米管的市場需求持續(xù)增長，帶動了行業(yè)的快速發(fā)展。在范圍內，江蘇天奈（中國）、OCSiAl（俄羅斯）、LG Chem（韓國）等成為范圍內的碳納米管生產商，憑借其技術實力和市場占有率脫穎而出。
其大規(guī)模商業(yè)應用需求主要來自鋰離子電池和導電塑料領域，其中來自
前者的占比超過80%。
本書從碳納米管的歷史啟航，穿越至材料科學與技術的篇章，最終聚焦于能源存儲與轉換的應用，不僅為讀者構建了完整的碳納米管基礎知識體系，還展現(xiàn)了這一材料從理論探索到實際應用，乃至引領科研創(chuàng)新與工業(yè)化進程的輝煌歷程。書中，我們追溯了碳納米管從意外發(fā)現(xiàn)到實驗室合成的奇妙旅程，在材料制備部分，詳盡解析了多種先進制備技術，展現(xiàn)了人類如何巧妙地操控納米尺度，賦予碳納米管獨特的物理、化學性質。本書還
探討了碳納米管在能源領域的革命性應用。從高性能電池到超級電容器，從燃料電池到電解水，碳納米管以其的導電性、高強度及高比表面積，正逐步成為提升能源存儲效率、促進能源轉換技術飛躍的關鍵材料。讀者將理解到，這一奇妙的微小材料如何在能源轉型的大潮中扮演至關重要的角色。
此外，本書還展望了碳納米管在科研與工業(yè)化領域的廣闊前景，鼓勵讀者思考并參與到這一
科技變革之中。它引領著每一位讀者踏上一段穿越微觀宇宙、探索未來科技奧秘的非凡之旅，共同見證并參與構建更加綠色、高效、可持續(xù)的能源未來。
基于碳納米管在新能源領域的重要地位，本書包含碳納米管的歷史起源、材料制備，以及其在能源存儲與轉換中的應用。通過本書的學習，讀者可掌握碳納米管的基礎知識，了解碳納米管的發(fā)展概況和應用領域，以及其在科研和工業(yè)化上的發(fā)展。本書旨在逐步揭開這一奇跡材料的神秘面紗，引領讀者踏上一場穿越微觀宇宙、探索未來科技的非凡旅程。
本書共10章，分別為： 緒論、碳納米管的制備、碳納米管在鋰離子電池中的應用、碳納米管在鋰硫電池中的應用、碳納米管在鈉離子電池和鉀離子電池中的應用、碳納米管在鋰金屬負極中的應用、碳納米管在燃料電池中的應用、碳納米管在電催化反應中的應用、碳納米管在其他儲能器件中的應用和碳納米管的機遇。
當然，任何偉大的發(fā)現(xiàn)與創(chuàng)新都伴隨著挑戰(zhàn)與未知。碳納米管的大規(guī)模制備、性能優(yōu)化、環(huán)境友好性以及新應用的拓展等問題，仍是當前研究領域的熱點與難點。但正是這些挑戰(zhàn)，激發(fā)了科學家們不斷探索與創(chuàng)新的熱情，推動著碳納米管技術不斷向前發(fā)展。本書在展望碳納米管未來應用前景的同時，也將深入探討這些挑戰(zhàn)與機遇，鼓勵更多的學者與企業(yè)家投身于這一蓬勃發(fā)展的領域。
本書由溫州大學組織編寫，主編為楊植、肖逵逵、聶華貴，參編為楊碩、
葛勇杰、周學梅、蔡冬、錢金杰、胡悅、張銀行、孫江東。編寫分工為： 楊植編寫第1章和第10章，肖逵逵編寫第5章，肖逵逵和孫江東編寫第6章，聶華貴和葛勇杰編寫第9章，楊碩編寫第4章，葛勇杰和錢金杰編寫第8章，周學梅編寫第7章，胡悅和周學梅編寫第2章，蔡冬和張銀行編寫第3章。此外，黃紹達、舒運茂以及團隊的同學們也為本書的撰寫和最終成形提供了幫助。
在編纂此書之際，我們深感榮幸本書匯集了眾多碳納米管領域的前沿科研成果，這些寶貴的知識與洞見均源自眾多科研工作者不懈地探索與努力。在此，我們向所有為碳納米管科學研究作出杰出貢獻的學者和研究者致以最誠摯的敬意與感謝。
同時，我們也認識到，盡管我們力求全面而準確地呈現(xiàn)這一領域的進展，但鑒于自身能力的局限性，書中難免存在不足之處或有待商榷之處。因此，我們誠摯地邀請同行及廣大讀者指正。
楊植
2025年1月于溫州大學
楊植教授曾在北京天奈科技有限公司任碳管應用研發(fā)組組長，后任職于溫州大學，長期從事碳納米管在電化學儲能與轉化方面的研究，并在相關領域發(fā)表高水平學術論文100余篇，授權發(fā)明專利19項，主持國家自然科學5項，獲得浙江省杰青、浙江省“省萬人”等計劃支持。主講《能源材料與化學》等多門課程。獲得過自然科學二等獎、溫州市科技進步二等獎、溫州大學華峰品德將、溫州大學“我心中的好導師”等榮譽。
目錄
第1章緒論
1.1碳納米管的發(fā)現(xiàn)——美麗的“意外”
1.2碳納米管的基本結構
1.3碳納米管的分類
1.4碳納米管的基本性質
1.4.1電學性能
1.4.2力學性能
1.4.3熱學性能
1.4.4其他性能
1.5碳納米管在電化學能源存儲與轉化方面的應用
參考文獻
第2章碳納米管的制備
2.1碳納米管的合成方法
2.1.1電弧放電法
2.1.2激光燒蝕法
2.1.3化學氣相沉積法
2.2碳納米管的生長機理與模式
2.2.1VLS生長機理
2.2.2VSS生長機理
2.2.3頂端生長模式
2.2.4底端生長模式
2.2.5其他生長模式
2.3單壁碳納米管的制備方法
2.3.1單壁碳納米管水平陣列的制備
2.3.2單壁碳納米管垂直陣列的制備
2.4多壁碳納米管的制備方法
2.4.1電弧放電法
2.4.2化學氣相沉積法
2.5碳納米管的宏量制備
2.5.1碳納米管宏量制備的挑戰(zhàn)
2.5.2碳納米管的宏量制備方法
2.6碳納米管的純化
2.6.1物理純化法
2.6.2化學純化法
2.7碳納米管的摻雜與化學修飾
2.7.1雜原子摻雜碳納米管
2.7.2碳納米管化學修飾
2.8碳納米管復合材料的制備方法
2.8.1物理混合法
2.8.2化學修飾法
2.8.3原位生長法
2.9碳納米管導電漿料
2.9.1碳納米管的工業(yè)化分散
2.9.2碳納米管導電漿料的應用
2.10碳納米管的表征
2.10.1掃描電子顯微鏡
2.10.2原子力顯微鏡
2.10.3掃描隧道顯微鏡
2.10.4透射電子顯微鏡
2.10.5電子衍射
2.10.6拉曼光譜法
2.10.7熒光激發(fā)光譜
2.10.8吸收光譜
2.10.9瑞利光譜
參考文獻
第3章碳納米管在鋰離子電池中的應用
3.1鋰離子電池與碳納米管
3.2碳納米管在鋰離子電池正極材料中的應用
3.2.1碳納米管應用于層狀結構正極材料
3.2.2碳納米管應用于橄欖石結構正極材料
3.2.3碳納米管應用于尖晶石結構正極材料
3.3碳納米管在鋰離子電池負極材料中的應用
3.3.1碳納米管作為鋰離子電池負極材料的優(yōu)勢
3.3.2碳納米管直接作為鋰離子電池負極材料
3.3.3碳納米管應用于嵌入反應型負極材料
3.3.4碳納米管應用于轉換反應型負極材料
3.3.5碳納米管應用于合金化反應型負極材料
參考文獻
第4章碳納米管在鋰硫電池中的應用
4.1鋰硫電池簡介
4.2碳納米管基材料復合正極
4.2.1碳納米管/硫復合正極
4.2.2碳納米管/碳/硫復合正極
4.2.3碳納米管/聚合物/硫復合正極
4.2.4碳納米管/無機物/硫復合正極
4.2.5碳納米管/仿生材料/硫復合正極
4.3碳納米管基材料插層膜
4.3.1碳納米管插層膜
4.3.2碳納米管/碳復合插層膜
4.3.3碳納米管/聚合物復合插層膜
4.3.4碳納米管/金屬化合物復合插層膜
4.4碳納米管基材料修飾隔膜
4.4.1碳納米管修飾隔膜
4.4.2碳納米管/碳修飾隔膜
4.4.3碳納米管/聚合物修飾隔膜
4.4.4碳納米管/金屬化合物修飾隔膜
參考文獻
第5章碳納米管在鈉離子電池和鉀離子電池中的應用
5.1鈉/鉀離子電池簡介
5.2碳納米管在鈉離子電池電極材料中的應用
5.2.1鈉離子電池負極概述
5.2.2碳納米管作為鈉離子電池負極材料
5.2.3鈉離子電池正極概述
5.2.4碳納米管在鈉離子電池正極中的應用
5.3碳納米管在鉀離子電池電極材料中的應用
5.3.1鉀離子電池負極材料概述
5.3.2碳納米管作為鉀離子電池負極材料
5.3.3碳納米管復合材料作為鉀離子電池負極材料
5.3.4鉀離子電池正極材料研究進展
5.3.5碳納米管在鉀離子電池正極中的應用
參考文獻
第6章碳納米管在鋰金屬負極中的應用
6.1鋰金屬負極概述
6.1.1鋰金屬電池的機遇
6.1.2鋰金屬電池的挑戰(zhàn)
6.1.3鋰金屬負極的解決方案
6.2碳納米管金屬復合負極
6.2.1碳納米管緩解鋰枝晶
6.2.2改性碳納米管及碳納米管復合材料對鋰沉積與溶解的影響
6.3碳納米管修飾金屬負極界面
6.3.1碳納米管輔助構筑人工SEI
6.3.2碳納米管修飾鋰金屬界面
參考文獻
第7章碳納米管在燃料電池中的應用
7.1引言
7.2燃料電池簡介
7.2.1燃料電池的工作原理
7.2.2燃料電池中的催化劑
7.3碳納米管應用于燃料電池
7.3.1碳納米管基催化劑在燃料電池中的應用
7.3.2碳納米管用于氣體擴散層
7.3.3碳納米管用于質子交換膜
參考文獻
第8章碳納米管在電催化反應中的應用
8.1電催化反應概述
8.2碳納米管在電解水反應中的應用
8.2.1電解水的工作原理
8.2.2碳納米管在電催化OER中的應用
8.2.3碳納米管在電催化HER中的應用
8.3碳納米管在電催化CO2還原反應中的應用
8.3.1電催化CO2還原反應的原理
8.3.2碳納米管作為催化劑載體
8.4碳納米管在電催化氮氣還原反應中的應用
8.4.1NRR的反應過程及催化機理
8.4.2碳納米管基催化劑在NRR反應中的應用
8.5碳納米管在電催化硝酸根還原反應中的應用
參考文獻
第9章碳納米管在其他儲能器件中的應用
9.1碳納米管在超級電容器中的應用
9.2碳納米管在混合電容器中的應用
9.3碳納米管在鋅離子電池中的應用
9.4碳納米管在雙離子電池中的應用
9.4.1碳納米管用于雙離子電池正極
9.4.2碳納米管用于雙離子電池負極材料
9.5碳納米管在鉛酸蓄電池中的應用
參考文獻
第10章碳納米管的機遇
10.1“雙碳”目標下的能源轉型迫在眉睫
10.2“雙碳”目標下碳納米管的機遇
10.2.1鋰離子電池
10.2.2導電塑料
10.2.3碳基芯片
10.2.4氫能
10.3碳納米管的市場現(xiàn)狀和分布
10.4碳納米管的挑戰(zhàn)
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