碳纳米管纤维，Science！

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编辑丨风云

研究背景

碳纳米管(CNTs)因其低密度以及卓越的电学、热学和机械性能，被认为是制造轻质导体的理想材料。尽管单根碳纳米管的性能优异，但如何将其转化为保留这些特性的宏观连续纤维仍是一大挑战。目前，纯碳纳米管纤维的电导率已接近其实用极限，通过引入掺杂剂进一步提升其宏观导电性能成为该领域的研究重点。

关键问题

目前，碳纳米管纤维的拓展应用主要存在以下问题：

1、宏观材料导电性提升受限

单根碳纳米管虽具有极高导电性，但宏观纤维的电导率受到组装排列和电荷载流子密度的限制，纯纤维的纵向电导率目前停留在1-3 MS/m的水平，难以实现质的飞跃。

2、掺杂导致结构脆化与不稳

传统的强掺杂手段（如石墨层间化合物GICs）虽然能大幅提升载流子密度，但往往会引起晶格显著膨胀，导致材料强度下降高达90%且在环境条件下极不稳定，限制了其作为结构导体的应用。

新思路

有鉴于此，西班牙IMDEA材料研究所J. J. Vilatela等人报道了由四氯铝酸根阴离子(AlCl₄^-)链在管间通道插层的高度定向双壁碳纳米管纤维。AlCl₄^-插层剂作为一种非共价掺杂剂，主要从外层纳米管接受每个阴离子0.65个电子。结合17%的插层剂体积分数，它使室温电导率增加到高达24.5 MS/m，达到铜的41%。比电导率达到17,345 S·m²/kg，优于金属。这些纤维的强度是传统架空电缆的五倍，重量仅为一半，同时在干燥条件下保持稳定，并且在聚合物电缆护套的保护下，能保留80%的受水分屏蔽后的电导率。

技术方案：

1、形成了独特的夹层纤维的结构

作者利用两区气相法将AlCl₄⁻嵌入DWCNT纤维，形成独特双嵌套晶格结构，避免体积膨胀和脆化，插层剂分布均匀，纤维保持柔韧性，DFT揭示阴离子稳定亚稳态超结构。

2、证实了CNT-插层剂的相互作用和电荷转移

研究证实DWCNT与AlCl₄⁻间存在强烈非共价相互作用，发生大规模电荷转移，每个阴离子接受0.65个电子，费米能级降低0.44 eV，电导率跃升17.4倍。

3、探究了插层碳纳米管纤维的整体性能

本文制备的插层碳纳米管纤维室温电导率24.5 MS/m，质量比电导率17345 S·m²/kg超铜铝，抗拉强度1.37 GPa，为航空航天和电力传输提供了理想轻质高效导体。

4、验证了插层纤维的稳定性

作者发现插层纤维在干燥条件下性能稳定超一年，潮湿环境中电导率下降，采用聚合物护套封装5天后保持78%电导率，初步证明了实际应用可行性。

技术优势：

1、实现了创纪录的比电导率

研究通过在双壁碳纳米管纤维中均匀插层AlCl₄⁻，实现了高达17,345 S·m²/kg 的比电导率，显著超过了传统的铜和铝，且导电率提升幅度高达17.5倍。

2、揭示了非破坏性插层机制

本文揭示了碳纳米管束的三角晶格能够在不发生显著晶格膨胀的情况下容纳有序插层剂链，从而在大幅提升电性能的同时，完美保留了宿主纤维的优异机械强度和柔韧性。

技术细节

夹层纤维的结构

研究团队利用两区气相法，成功将四氯铝酸根阴离子（AlCl₄⁻）均匀且长程有序地嵌入到高度取向的双壁碳纳米管（DWCNT）纤维中。这种插层纤维（CNTIC）表现出独特的结构特征：它由两个嵌套晶格组成，即承载插层剂的DWCNT三角形超晶格和由阴离子链形成的平行六方晶格。实验测得其化学计量比约为C₃₉AlCl₄，插层剂质量分数约为36.7%。与传统的石墨插层化合物（GICs）不同，AlCl₄⁻嵌入碳纳米管束的间隙通道时，几乎没有改变碳纳米管的层间距，纤维直径也无明显变化，从而避免了石墨插层时常见的剧烈体积膨胀和材料脆化问题。透射电镜（TEM）和元素映射分析证实，插层剂在整根纤维的横截面上分布极其均匀，且插层后的纤维依然保持了良好的柔韧性。密度泛函理论（DFT）模拟进一步揭示，阴离子在通道内以特定的四面体结构排列，形成了稳定的亚稳态超结构。这种微观结构的完整性是维持其宏观高性能的基础。

图  AlCl₄^-插层DWCNT纤维的均匀性和结构

图  嵌入式DWCNT电池的DFT模拟

CNT-插层剂相互作用和电荷转移

通过密度重叠区域指示器（DORI）分析和光谱表征，研究证实了DWCNT与AlCl₄⁻之间存在强烈的非共价相互作用。拉曼光谱显示，插层后外层碳纳米管的径向呼吸模式（RBM）消失，且G峰出现了高达15-27 cm^-1的显著上移，这表明发生了大规模的非共价电荷转移。DFT计算显示，每个AlCl₄⁻阴离子平均从碳纳米管接受了0.65个电子，其中约84%的电荷转移来自于双壁碳纳米管的外层。这种电荷转移机制遵循“离子盐模型”，使系统的费米能级降低了约0.44 eV，从而在不破坏碳纳米管固有高载流子迁移率的前提下，极大地增加了自由载流子密度。X射线光电子能谱（XPS）进一步确认了Cl原子与碳纳米管之间的强烈相互作用，证实了电子从C原子的π轨道向插层阴离子的转移。这种高效的掺杂方式是电导率实现17.4倍跃升的核心微观因素。

图  插层碳纳米管纤维中的电荷转移和电子结构

整体纵向性能

插层碳纳米管纤维在力学和电学性能上均展现出超越传统金属的潜力。其室温电导率最高可达24.5 MS/m，相当于金属铜导电率的41%。更为突出的是其质量比电导率（电导率除以密度），最高值达到17,345 S·m²/kg，不仅优于铜（6,674 S·m²/kg），甚至超过了金属铝（13,130 S·m²/kg）。在力学性能方面，插层纤维保持了极高的强度和模量，其抗拉强度约为1.37 GPa，比强度达到0.975 GPa/SG，模量约为51.87 GPa。与传统架空电缆相比，这种纤维的强度是其五倍，而重量仅为其一半。研究指出，由于碳纳米管一维超晶格在插层过程中能保持管间距不变，这使得宏观纤维在导电性大幅提升的同时，不会像石墨材料那样损失力学完整性。这些特性使其成为航空航天和电力传输领域理想的轻质高效导体材料。

图  电荷转移、体电导率和力学性能

插层纤维的稳定性

插层纤维的稳定性与环境湿度密切相关。在干燥条件（如手套箱，RH < 0.05%）下，纤维的性能非常稳定，保存时间可超过一年。然而，当直接暴露在潮湿空气中时，AlCl₄^-会与水分子反应生成六水合氯化铝 [Al(H₂O)₆]Cl₃，导致电荷转移效应逆转，电导率随之下降。为了解决这一应用瓶颈，研究者展示了有效的封装保护策略：将插层纤维置于商用聚合物电缆护套中并进行热密封，在平均湿度为44%的环境中暴露5天后，其电导率仍能保持初始值的78%。此外，使用电子级硅胶进行表面涂覆也能显著减缓性能衰减。研究认为，通过在纤维表面形成自钝化层或采用更稳定的电荷受体，可以进一步提升其在复杂环境下的长期稳定性。目前的封装技术已初步证明了该材料在实际电力传输应用中的可行性。

图  CNTIC在不同相对湿度空气中的稳定性

展望

本文展示了一种基于气相插层技术的高性能碳纳米管纤维导体。通过在双壁碳纳米管束间隙中构建有序的AlCl₄^-阴离子链，实现了极高的电荷转移效率和电导率提升，同时避免了晶格膨胀导致的机械性能损耗。该材料在比电导率和比强度上均全面超越了传统金属材料，结合有效的封装保护技术，展现出在航空航天、电力传输等领域替代传统重质电缆的巨大潜力。

参考文献：

A. I. DE ISIDRO-GÓMEZ, et al. Intercalated carbon nanotube fibers with high specific electrical conductivity. Science, 2026, 392(6796):395-400.

DOI: 10.1126/science.aeb0673

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeb0673