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| 編輯推薦： |
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自碳纳米管成为学术界的热点以来，全球的科学家在此领域开展了系统深入的工作，并先后出版了各种碳纳米管相关的专著。我国科学家在碳纳米管的制备、表征、性质、应用领域均走在世界的前沿，特别是在碳纳米管的可控制备以及应用领域取得了一系列重大突破，具有很大的学术、产业及国际影响力。本书系统总结了强化大学魏飞教授团队在（1）水平阵列碳纳米管完美结构的控制及其超强材料与电子材料的应用以及（2）插层阵列碳纳米管及石墨烯-碳纳米管杂化物等垂直阵列碳纳米管的宏量制备、纯化与应用方面的研究。
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| 內容簡介： |
《高纯阵列碳纳米管制备与应用》是“先进化工材料关键技术丛书”的一个分册。
本书在参阅国内外大量有关科技文献和资料的基础上，认真总结国内外科研进展，并融入作者多年科研工作的成果，全面介绍了高纯阵列碳纳米管制备方法和应用技术，详细论述了水平阵列碳纳米管的制备、垂直阵列碳纳米管的可控宏量制备、碳纳米管的提纯和分散、阵列碳纳米管的电化学储能应用、高性能碳纳米管复合材料、碳纳米管空气过滤及吸附应用等。
本书适合纳米科学与技术、材料科学与工程、化学、化工、物理和相关领域的科研人员、高校师生、工程技术人员及管理人员阅读与参考。
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| 關於作者： |
魏飞，清华大学化学工程系教授，系学术委员会主任，绿色反应工程与工艺北京市重点实验室主任。中国颗粒学会常务理事兼能源颗粒材料专业委员会主任。1984毕业于华东石油学院炼制系有机化工专业，1990年获石油大学有机化工博士学位。在Science、Nature等杂志发表论文600余篇，SCI他引5万余次，是克莱恩近七年材料领域高被引科学家之一。获教育部“长江学者”特聘教授（1999年）、国家杰出青年基金（1997年）等。
成功实现了千吨级碳纳米管在锂离子电池中的规模应用，实现了气固下行床催化裂化、高速湍动床甲醇制丙烯、芳烃、苯胺、氯乙烯、丙烯腈、间苯二腈等30台新概念反应器产业化，研究成果获国家科技进步二等奖（2002年、2008年）、教育部自然科学一等奖（2005年、2015年）、教育部技术发明一等奖（2012年）等。
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| 目錄：
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章 绪论 001
节 碳纳米材料与碳纳米管 003
一、碳纳米材料概述 003
二、碳纳米管的出现 004
第二节 碳纳米管结构与性能 006
一、碳纳米管的结构 006
二、碳纳米管的优异性能与应用 010
第三节 碳纳米管的宏量制备 015
一、碳纳米管的工程化 015
二、碳纳米管的应用 017
参考文献 018
第二章 水平阵列碳纳米管的制备 021
节 概述 022
一、碳纳米管原子层面的生长机理及影响因素 022
二、水平阵列碳纳米管的生长模式 026
三、水平阵列碳纳米管的Schulz-Flory 分布生长理论 029
四、碳纳米管克隆生长机理 033
第二节 水平阵列碳纳米管的结构控制 035
一、水平阵列手性碳纳米管自催化生长与定向进化方法 035
二、高纯度碳纳米管的自纯化生长调控 038
三、高密度单色碳纳米管线团的原位组装 049
四、超长水平阵列碳纳米管的制备 065
第三节 结构完美的水平阵列碳纳米管性质与应用 069
一、碳纳米管力学性质及其机械储能应用 069
二、碳纳米管聚集体的力学性能 078
三、碳纳米管晶体管与感光器件 085
四、碳纳米管集成电路与芯片 091
五、碳纳米管的热学性质 097
六、水平阵列碳纳米管的管层间超润滑性质 103
第四节 结构完美的水平阵列碳纳米管的批量制备技术 109
一、批量化超长碳纳米管制备 109
二、大面积超长碳纳米管的制备与表征 111
参考文献 116
第三章 垂直阵列碳纳米管的可控宏量制备 129
节 概述 130
一、垂直阵列碳纳米管阵列 130
二、垂直阵列碳纳米管制备方法 131
第二节 垂直阵列碳纳米管的协同生长 136
一、垂直阵列碳纳米管的协同生长机制 136
二、不同曲率表面碳纳米管的生长行为 141
三、不同结构表面碳纳米管生长机制分析 144
四、利用曲面基板实现碳纳米管阵列的制备 146
第三节 垂直阵列碳纳米管调变及催化剂设计 148
一、碳纳米管多级结构调变概述 148
二、碳纳米管/石墨烯杂合组装结构 152
三、基于LDH的碳纳米管双螺旋的制备 156
第四节 垂直阵列碳纳米管结构的批量制备 163
一、碳纳米管批量制备的工程原理 163
二、碳纳米管阵列的工程化制备 164
三、氮掺杂碳纳米管阵列的工程化制备 166
四、流化床中单壁碳纳米管/石墨烯杂合物的宏量制备 174
第五节 阵列碳纳米管放大生产的多因素分析 176
一、纳米聚团流化 176
二、质量、热量传递核算 181
三、流化床反应器中合成碳纳米管 183
参考文献 189
第四章 碳纳米管提纯和分散 199
节 碳纳米管提纯 200
一、碳纳米管杂质形成机理 200
二、单壁碳纳米管的纯度提升 202
三、碳纳米管/石墨烯杂合物的纯度提升 204
第二节 碳纳米管的预氧化 205
一、单壁碳纳米管弱氧化处理 205
二、多壁碳纳米管的空气氧化 210
第三节 碳纳米管的酸洗提纯 212
第四节 碳纳米管的高温蒸发提纯 213
一、高温提纯中碳纳米管变化 213
二、多壁聚团碳纳米管高温提纯 218
三、真空高温提纯碳纳米管金属脱除机理 219
第五节 碳纳米管的氯化提纯 223
第六节 手性碳纳米管提纯技术 224
一、液相色谱技术 224
二、密度梯度超速离心技术 226
三、原位生长调控技术 226
第七节 碳纳米管的分散概述 227
第八节 碳纳米管的水系分散 228
一、酸氧化碳纳米管水分散 229
二、添加剂辅助单壁碳纳米管的水分散 232
第九节 碳纳米管的有机分散 233
第十节 碳纳米管酸质子化液晶 236
第十一节 碳纳米管分散的应用 238
一、锂离子电池 238
二、透明导电薄膜 239
三、涂料 241
参考文献 243
第五章 阵列碳纳米管的电化学储能应用 247
节 电化学储能系统简介 248
一、电池 248
二、电容器 249
三、碳材料在储能系统中的应用 251
第二节 阵列碳纳米管的电池应用 252
一、阵列碳纳米管的电池正极应用 252
二、阵列碳纳米管的电池负极应用 265
第三节 阵列碳纳米管的超级电容器应用 269
一、阵列碳纳米管作为主电极材料的应用 269
二、阵列碳纳米管作为辅助电极材料的应用 278
参考文献 280
第六章 高性能碳纳米管复合材料 285
节 概述 286
一、轻质碳纤维复合材料介绍 286
二、轻质碳纳米管复合材料介绍 287
第二节 碳纳米管复合材料类型 290
一、碳纳米管力学复合材料 290
二、碳纳米管功能复合材料 291
第三节 碳纳米管高强复合材料力学基础 293
一、碳纳米管本征结构 293
二、碳纳米管界面强化 295
三、碳纳米管取向与空间排布 296
第四节 轻质高强碳纳米管复合材料制备技术 298
一、碳纳米管纤维及纤维增强复合材料 299
二、碳纳米管复合材料制备技术 301
三、碳纳米管复合材料增材制造技术 302
第五节 碳纳米管功能复合材料的制备技术 303
一、预分散-共混技术 303
二、预分散-原位聚合技术 305
第六节 碳纳米管聚合物增强复合材料 305
一、碳纳米管增韧热固性树脂 305
二、碳纳米管增强热塑性树脂 311
第七节 碳纳米管聚合物导电复合材料 313
一、碳纳米管导电塑料 313
二、碳纳米管导电薄膜 315
第八节 碳纳米管电磁屏蔽和吸收材料 316
一、碳纳米管电磁屏蔽材料 317
二、碳纳米管电磁吸收材料 320
第九节 碳纳米管散热节能橡胶 322
一、碳纳米管聚合物导热复合材料概述 322
二、碳纳米管节能橡胶 323
三、碳纳米管高导热复合材料的工程应用 325
第十节 碳纳米管柔性复合材料 325
一、碳纳米管柔性传感器 325
二、碳纳米管人造肌肉 327
第十一节 碳纳米管金属基复合材料 329
一、碳纳米管铝基复合材料 330
二、碳纳米管镁基复合材料 333
第十二节 碳纳米管陶瓷基复合材料 335
一、碳纳米管增韧碳化硅陶瓷 335
二、碳纳米管增韧氧化铝 337
第十三节 碳纳米管复合材料发展趋势 338
参考文献 340
第七章 碳纳米管空气过滤及吸附应用 345
节 纳米纤维过滤简介 346
一、高效空气过滤材料 346
二、纳米纤维过滤材料 347
第二节 碳纳米管空气过滤材料 348
一、碳纳米管空气过滤理论 348
二、纳米纤维捕捉气溶胶颗粒的原位观察 354
第三节 碳纳米管薄膜 360
一、纯碳纳米管薄膜过滤 360
二、碳纳米管/多孔基底复合结构膜 363
第四节 碳纳米管纳米梯度过滤 364
一、多级结构 364
二、纳米梯度结构 368
第五节 碳纳米管纳米聚团流化床过滤 371
一、纳米聚团流化床过滤特点 371
二、纳米颗粒物的逸出 373
第六节 碳纳米管过滤材料的安全性 374
第七节 碳纳米管吸附材料 375
一、碳纳米管吸附VOC 375
二、碳纳米管去除臭氧 376
参考文献 378
索引 382
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| 內容試閱：
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在过去的30多年时间里，从C60、碳纳米管、石墨烯到石墨炔等碳纳米材料吸引了大量科学工作者的兴趣，迄今累计发表的学术论文已高达百万篇，且有两个与碳纳米材料相关的研究获诺贝尔奖。碳纳米材料有如此神奇的魅力，这是因为碳-碳sp2共价键是强、尺寸小且十分稳定的平面二维碳材料基本结构单元，是构成生命体的基础，同时其在结构美学、凝聚态物理学、化学、电子学方面也有很多十分神奇的性质。
碳纳米管为石墨层卷曲而成的纳米管状材料。作为一种具有一维纳米管状结构的材料，其低维结构具有量子材料的一些特别性质，首先，其能量、动量在K点的线性散射行为使得其有效电子质量为零，具有微米级电子及声子自由程，从而表现出优异的导电、导热性及电子迁移率高的行为；其次，由于其卷曲造成的对称性缺损及手性，从而表现出了本征的半导体及半金属特征；另外，由于其具有sp2无悬键共价键结构，因而带来了优异的强度、韧性与模量等特性。过去30年时间里，碳纳米管在宏观力学强度、韧性等方面已超越目前好的碳纤维一个数量级。碳纳米管的这些基础性质是全碳纳米管计算机、超快X光管、碳纳米管生物显示与柔性材料、超强材料、超韧材料等领域深入研究并取得突飞猛进的基础。我们有理由相信在未来的岁月里，人们对待碳纳米管也会像碳纤维一样，使其成为未来科技与产业的基石。通过近30年的发展，碳纳米管作为导电剂已经广泛应用于动力锂离子电池中，其作为填料应用于高强度、高导电、抗静电屏蔽材料中并形成了万吨级的产能及千吨级的实际应用市场，这必定会对未来超强材料、功能复合材料及未来芯片与光电子材料等产生广泛的影响。
自碳纳米管成为学术界的热点以来，科学家们在此领域开展了系统深入的工作，并先后出版了各种碳纳米管相关的专著。我国科学家在碳纳米管的制备、表征、性质、应用领域均走在世界的前沿，特别是在碳纳米管的可控制备以及应用领域取得了一系列重大突破，具有很大的学术、产业及国际影响力。笔者所在的清华大学绿色反应工程与工艺北京市重点实验室、清洁能源化工技术教育部工程研究中心自2000年起致力于碳纳米管的批量制备与应用探索，在纳米聚团流化床法批量制备碳纳米管，插层生长制备碳纳米管阵列，水滑石催化剂制备单壁碳纳米管、双螺旋碳纳米管、超长碳纳米管，以及碳纳米管在复合材料、能源转化与存储领域取得了有意义的结果，受到了国内外同行的关注。在十年前我们出版了《碳纳米管的宏量制备技术》，以期对该材料的制备与宏量应用产生推动。近十年来，一方面我们的研究更多地集中在水平阵列碳纳米管完美结构的控制及其超强材料与电子材料的应用，另一方面则是在插层阵列碳纳米管及石墨烯-碳纳米管杂合物等垂直阵列碳纳米管的宏量制备、纯化与应用方面的研究。为了促进国内科学界与工业界的交流，架起学术与产业的桥梁，我们拟对高纯阵列碳纳米管的批量制备过程撰写学术专著。以碳纳米管的批量制备为线索，分析各种形式的碳纳米管批量制备的科学与工程前景，促进我国碳纳米管的研究和应用开发，同时也为其他纳米材料的批量制备提供思路。在此基础上，笔者参阅了大量国内外科技文献，将全书内容共分为七章。章绪论介绍碳纳米材料的基本概念以及碳纳米管的结构性质和宏量制备发展情况；第二章介绍水平阵列碳纳米管的制备，包括水平阵列碳纳米管的生长机理、结构控制和结构完美的水平阵列碳纳米管的宏量制备与应用；第三章介绍垂直阵列碳纳米管的制备技术，包括垂直阵列碳纳米管的协同生长机制、多级结构调变及其宏量制备和放大生产多因素分析；第四章介绍碳纳米管的提纯和分散技术，重点讲述高纯碳纳米管的纯化原理，建立碳纳米管制备和应用的桥梁；第五章介绍阵列碳纳米管的电化学储能应用，包括阵列碳纳米管的电池应用和超级电容器应用；第六章介绍各种高性能碳纳米管复合材料的制备、应用及发展趋势；第七章介绍碳纳米管空气过滤及吸附应用。
清华大学绿色反应工程与工艺北京市重点实验室、清洁能源化工技术教育部工程研究中心的大部分成员参与了编写工作，他们是：魏飞，朱振兴（章）；姜沁源、朱振兴、白云祥、张如范（第二章）；黄佳琦、张晨曦、张强、赵梦强、王垚、骞伟中（第三章）；贾希来、刘艳平、陈天驰（第四章）；崔超婕（第五章）；贾希来（第六章）；李朋、张如范（第七章）。除魏飞外，贾希来参与了全书的统稿工作。除了本书的主要作者外，清华大学金涌、汪展文、罗国华、王垚、向兰、余皓、李志飞、宁国庆、刘毅、温倩、徐光辉、黄毅、范壮军、聂晶琦、王其祥、张群峰、项荣、吴珺、周卫平、刘唐、杨州、黄巍、谷光胜、靳玉广、刘士东、赵梦强、聂晶琦等也参与了相关的研究工作，在此一并致谢。本书的主要内容是在自然科学基金委员会、科技部高技术研究发展计划项目（863 计划）、科技部纳米重大专项（973 计划）和清华大学的支持下取得的，得益于“纳米碳材料产业化关键技术及重大科学前沿”重点研发计划（2016YFA0200102）等支持，在此致以真诚谢意。相关内容获得国家科技进步二等奖（2002）、教育部自然科学一等奖（2016，2006）等。
由于笔者写作水平有限，难免有不当之处，且碳纳米管的研究日新月异，这样导致本书部分内容可能与实际情况有些差异，敬请读者批评指正。
魏飞
2021年2月于清华园
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