金属碳纳米管，突破！

科技 2024-11-21 16:31 河北

↑ 点击上方“石墨烯联盟”关注我们

纯金属碳纳米管（CNTs）作为一种新型纳米流体通道材料，因其卓越的分子传输性能正在科学界引发关注。近日，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员详细探讨了金属型碳纳米管在水、质子及其他分子运输中的性能优势。这项研究通过实验和分子模拟揭示了金属型CNT的电子特性如何增强分子传输效率，并分析了其在分离、能源和生物医学领域的应用潜力。

碳纳米管是一种独特的纳米材料，其管状结构提供了极低摩擦的流体传输路径。然而，不同类型的CNT在分子传输性能上存在显著差异，特别是金属型CNT与半导体型CNT之间。金属型CNT因其高导电性和轴向极化率（αzz），展现出优异的分子传输性能。研究显示，金属型CNT的零带隙特性使其壁面对流体分子的电势屏蔽效应减弱，从而减少了摩擦阻力，提高了分子运动效率。

实验中，研究团队比较了（6,5）半导体型CNT和（7,4）金属型CNT的水和质子传输能力，发现金属型CNT在水传输效率上提高了70%，在质子传输效率上提升了32%。这些显著差异的背后是金属型CNT对分子传输路径的独特优化，其电子特性使分子能够以更低的能量代价通过纳米孔道。

水分子传输：摩擦阻力显著降低

水分子在金属型CNT中的通透性（Pw值）显著高于半导体型CNT。实验表明，金属型CNT的水通透性达到3.2x10^-13cm³/s，比半导体型CNT高出约70%。这一优势主要归因于金属型CNT内壁的极化效应。分子动力学模拟显示，金属型CNT壁面对水分子的极化作用更弱，使得水分子能够以更高的速度通过纳米管。这种减小的摩擦效应源于CNT的电子特性，它减少了水分子和CNT壁面之间的相互作用力。

在实际应用中，这种高效的水传输能力使金属型CNT成为水处理和脱盐膜的理想材料。传统的聚合物膜由于孔隙不均匀和较高的流体摩擦，限制了传输效率。相比之下，金属型CNT的结构均一性和疏水性壁面显著提高了水流速度，同时降低了能耗。

质子传输

质子传输是另一个关键领域，研究显示金属型CNT在质子传输上的表现也优于半导体型CNT。质子的通透性在金属型CNT中提高了32%，这一提升主要体现在质子传输的路径优化上。通过实验和模拟，研究团队发现质子在金属型CNT内可以通过更直线化的“质子跳跃”路径完成传输，这与Grotthuss机制密切相关。

Grotthuss机制描述了质子通过连续氢键网络传递的过程。金属型CNT由于其高轴向极化率，能够提供更稳定的氢键网络，从而减少质子迁移的能量障碍。这种优化的传输路径使金属型CNT在燃料电池、离子交换膜等领域具有巨大的应用潜力，特别是在需要高效质子导电的系统中。

金属型CNT优异的分子传输性能源于其电子极化效应。CNT的电子特性直接影响分子与通道壁之间的相互作用。金属型CNT的零带隙结构使其在分子传输过程中表现出极高的电导率，从而减小了壁面对分子的电势屏蔽作用。这种特性不仅提高了水和质子的传输效率，还使离子传输过程更加高效。

研究团队通过分子动力学模拟进一步验证了这一机制。他们发现，金属型CNT内分子的流动阻力显著降低，尤其在高压力差条件下表现出更加线性的流体速度曲线。这一发现为高效纳米流体通道设计提供了新的理论依据。

潜在应用领域：从水处理到能源技术

该研究揭示了金属型CNT在分子传输中的优越性能，为多个应用领域提供了可能性。首先，在水处理和脱盐领域，金属型CNT的高水通透性可以显著提高膜技术的效率，减少能源消耗并提升水净化能力。这对于水资源匮乏地区尤为重要。

其次，金属型CNT在燃料电池中的应用潜力不容忽视。质子传输的效率提升对于提高燃料电池的能量密度和工作效率至关重要。金属型CNT的高质子通透性为设计更高效、更稳定的燃料电池提供了材料基础。

此外，在生物医学领域，金属型CNT可以用于开发高精度分子分离装置或药物传输系统。其高选择性和低摩擦的特性使其在模拟细胞膜和分子过滤方面具有独特优势。同时，在离子电导传感器和环境检测装置中，金属型CNT的快速响应能力和高灵敏度可以实现更高效的检测与监控。

尽管本研究展示了金属型CNT在分子传输中的显著优势，但其实际应用仍面临一些挑战。例如，如何在工业规模上实现高纯度金属型CNT的批量化生产是一个关键问题。此外，CNT的成本、结构稳定性及环境友好性也是未来应用中需要重点解决的难题。

研究团队建议，未来可通过优化CNT的合成工艺，提高金属型CNT的产量和质量。同时，将分子动力学模拟与实验研究相结合，可以进一步探索其他类型纳米材料的分子传输特性，为更多高效分离和传输系统的设计提供科学依据。

总结

本研究通过对金属型CNT的深入分析，揭示了其在分子传输中的巨大潜力。与半导体型CNT相比，金属型CNT在水和质子传输效率上展现出显著优势，其核心在于电子极化效应对分子运动的优化。这一发现不仅拓宽了纳米材料的研究视野，还为水处理、能源技术和生物医学等领域提供了创新解决方案。未来，随着生产技术的不断进步，金属型CNT有望在更多领域实现广泛应用，推动高性能纳米材料的产业化发展。

原文信息：Li, Y., Li, Z., Misra, R.P. et al. Molecular transport enhancement in pure metallic carbon nanotube porins. Nat. Mater. 23, 1123–1130 (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01925-w

信息来源：Carbontech

重点关注

▶▶联盟会员招募 | 携手共进，创造非凡！

▶▶联盟理事单位招募 | 联合前行，共赢未来~

▶▶致广大石墨烯人的一封信

▶▶石墨烯联盟（CGIA）关于新华网“材料强国”专题长期征稿启事

▶▶精准广告投放，让每一分预算都有价值~

▶▶需求对接 | 近期需求汇总

我们的视频号

　　“石墨烯联盟”视频号里面，有备受瞩目的“烯”世奇材，有惊喜连连的大咖开讲，有生动有趣的科普视频，甚至还有不定期的“福利”乱入...欢迎大家扫码关注我们的视频号，将满满的干货收入囊中~

我们的视频号

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3NTUyOTM3Mg==&mid=2650541280&idx=5&sn=1b9a696df089c3ef62bce7f5ac778aa3

石墨烯联盟

国家石墨烯创新中心是工信部于2022年11月正式批复组建，采用“公司+联盟”形式，依托石墨烯联盟 (CGIA)及宁波石墨烯创新中心有限公司建立。总体目标: 致力于建成引领全球石墨烯产业发展的国家制造业创新中心。本平台为中心官方发布平台。

最新文章

南京理工大学《ACS ANM》：垂直通道氧化石墨烯/纤维素复合柔性电极

喜讯！入选创建浙江省特色产业工程师协同创新中心

JCP | 文献前沿 | 废聚酯绿色转化为薄层石墨烯用于界面太阳能驱动蒸发和水力发电

加州大学Xiangfeng Duan和湖南大学Jian Zhu课题组--一种具有超高面容量的一氧化硅锂离子电池负极

南京工业大学《AFM》：三明治状柔性热电BiSbTe/碳纸/BiSbTe薄膜，用于双模温度-压力传感器

苏州纳米所张珽团队：生物组织启发的超软、超薄、力学增强的电纺纤维复合凝胶柔性电子

北京理工大学范绪阁 | ACS：不同原子层数的石墨烯在SiO₂/Si基底上的湿度传感特性

Adv. Mater.固态石墨烯量子点的对称触发可调磷光寿命

Angew. Chem.综述:纳米石墨烯：缺陷、尺寸和掺杂助力氧还原反应

研究前沿：湖南大学-菱方石墨烯 | Nature Nanotechnology

金属碳纳米管，突破！

南昆大宋平安教授/北林高强教授 Adv. Mater. 综述：阻燃隔热防火气凝胶/泡沫的材料与性能

华中科技大学AFM：用于超灵敏和选择性氨传感的氮化硼涂层石墨烯混合气凝胶的模板质量依赖性转换合成！

Nature Methods | 基于石墨烯的垂直DNA定向及其在DNA–蛋白质相互作用中的应用！

超4000万欧元！又一工业规模石墨烯项目

东京大学Maruyama, Shigeo教授团队Small：沸石负载单壁碳纳米管上一维范德华异质结构的高效生长

邹志刚院士&朱熹&涂文广&钮峰等综述：二维纳米材料的相变——设计策略和催化应用

大连理工《Small》：独立VO2/石墨烯气凝胶负极，用于水系铵离子电池

一文速看——石墨烯政策、市场、进出口现状

氨基化碳纳米管增强环氧树脂复合材料的玻璃化转变温度：界面作用

J. Catal.：脱铝 H-Y 沸石从重氮羰基化合物中生成、稳定和催化插入烯碳化合物

Nature Nanotechnology | 北京大学，科学家揭示石墨烯单分子电学检测平台在单催化剂中的创新应用！

石墨烯工业化生产，又一大创新！

更高效率+更快速度的石墨烯-硅集成调制器

AEM：二维石墨烯类碳包覆固体电解质减少全固态电池不均匀反应—Hyeon-Ji Shin

国家石墨烯创新中心与吉利汽车研究院举行石墨烯技术应用场景对接会

石墨烯行业盛事：《创业10年·石墨烯中国梦》新书发布

分子动力学方法研究筛选表面活性剂对碳纳米管的分散性能

南京大学王学斌教授MTE：钠离子电池层状过渡金属氧化物正极材料研究进展

综述：基于石墨烯的MEMS和NEMS器件及其应用研究

热烈庆祝国家石墨烯创新中心创建2周年

山东大学《ACS AMI》：新型多功能SiO2/石墨烯气凝胶，用于多功能电磁波吸收器

陕师大曹睿教授团队AFM：锚定在螺旋碳纳米管上的单原子 Co-N-C 位点用于氧还原反应

新型钛铁合金储氢材料，可有效降低成本

双功能氟化碳电极添加剂降低水系电解液盐依赖 | 进展

北化工《ACS AMI》：CuMgAl-LDH/石墨烯混合物，提高阻燃和抑烟性能

黄河科技学院：聚羟基脂肪酸酯/氧化石墨烯复合材料的制备及性能表征

ACS AMI | 用于污染物降解和微生物去除的 Magnéli 相Ti4O7掺杂激光诱导石墨烯表面和过滤器

研究前沿：北京航空航天大学石墨烯自旋阀-Cr2Ge2Te6 | Nature Electronics

哈尔滨工业大学张乃庆Nano Letters：球形致密沉积实现无枝晶锌金属电池

Nano Lett.：MoS2中栅极可控的钾插层和超导性

ACS NANO：基于ZnO纳米粒子激光诱导石墨烯的超灵敏可拉伸应变传感器

常州大学《Dalton Trans》：引入1D石墨烯作为2D MXene之间的垫片，用于超级电容器

《Nature》: 单层石墨烯中纳米孔尺寸分布的级联压缩

联盟会员招募 | 携手共进，创造非凡！

质量提升 | 我国首部《能源法》，全文正式发布

聚合物膜最新Nature!!!

需求对接 | 近期需求汇总

媒体聚焦 | 2024中国国际石墨烯创新大会

成果应用｜成本节省约50%，石墨烯改性重防腐材料示范应用

分类

时事

民生

政务

教育

文化

科技

财富

体娱

健康

情感

旅行

百科

职场

楼市

企业

乐活

学术

汽车

时尚

创业

美食

幽默

美体

文摘

原创标签

时事社会财经军事教育体育科技汽车科学房产搞笑综艺明星音乐动漫游戏时尚健康旅游美食生活摄影宠物职场育儿情感小说曲艺文化历史三农文学娱乐电影视频图片新闻宗教电视剧纪录片广告创意壁纸头像心灵鸡汤星座命理教育培训艺术文化金融财经健康医疗美妆时尚餐饮美食母婴育儿社会新闻工业农业时事政治星座占卜幽默笑话独立短篇连载作品文化历史科技互联网

发布位置

广东北京山东江苏河南浙江山西福建河北上海四川陕西湖南安徽湖北内蒙古江西云南广西甘肃辽宁黑龙江贵州新疆重庆吉林天津海南青海宁夏西藏香港澳门台湾美国加拿大澳大利亚日本新加坡英国西班牙新西兰韩国泰国法国德国意大利缅甸菲律宾马来西亚越南荷兰柬埔寨俄罗斯巴西智利卢森堡芬兰瑞典比利时瑞士土耳其斐济挪威朝鲜尼日利亚阿根廷匈牙利爱尔兰印度老挝葡萄牙乌克兰印度尼西亚哈萨克斯坦塔吉克斯坦希腊南非蒙古奥地利肯尼亚加纳丹麦津巴布韦埃及坦桑尼亚捷克阿联酋安哥拉