用于物联网设备应用的纳米碳材料开发

碳纳米管（CNT）和碳纳米角聚集体（CNH）是具有代表性的纳米材料，由NEC发现。碳纳米管由于碳六边形的不同排列而具有金属性和半导体特性，利用半导体碳纳米管的薄膜晶体管有望应用于电子领域。另一方面，CNHs具有高比表面积和高分散性，有望应用于电容器、燃料电池电极材料等能源器件领域。此外，近年来，NEC还发现了碳纳米刷（CNB），并且由于CNB具有CNT和CNH的优异性能而引起了广泛关注。本文介绍了NEC纳米碳材料的开发情况。

1.首先

碳纳米管（CNT）1）和碳纳米角聚集体（CNH）2）是NEC特别首席研究员Sumio Iijima发现的纳米碳，并被用作创新材料来改善传感器、能源设备、复合材料等的性能.这是预料之中的。NEC 正在对这些纳米碳进行广泛的研究和开发，从制造到设备应用。此外，近年来，人们发现了一种新型纳米碳——碳纳米刷（CNB，纤维状碳纳米角聚集体）3 ），其优异的性能有望得到广泛的应用。

2.碳纳米管

2.1. 碳纳米管的特性

碳纳米管（CNT）是上述饭岛于1991年发现的碳材料。与石墨一样，它是由六方碳网络构成的直径为1纳米（纳米，十亿分之一米）的圆柱形结构（图1（a）、（b））。单壁碳纳米管因其独特的形状、韧性、高导电性和高导热性而有望具有多种应用。另一个特点是碳六边形以不同的方式排列（手性）以表现出半导体或金属性质，单壁碳纳米管将以半导体和金属类型的2:1比例生产出来。

2.2 CNT金属/半导体分离技术及传感器应用

半导体型单壁碳纳米管作为印刷电子材料而备受关注，印刷电子产品利用印刷技术生产电子电路等电子产品。通过使用具有高电子迁移率和化学稳定性的半导体单壁碳纳米管作为晶体管的沟道材料，它们具有大面积、柔性、廉价且能够高速运行的特点，这使得它们对于高性能物联网至关重要。物联网）应用，我们可以制造各种传感器设备。NEC开发了一种电场诱导层形成方法（ELF方法），可以提取纯度超过99%的半导体单壁碳纳米管4 ）。在该方法中，使用非离子表面活性剂分散单壁碳纳米管，并使用无载流子电泳转移到阴极和阳极，实现半导体型和金属型单壁碳纳米管的稳定分离（图2 ）。此外，使用该技术的高性能半导体单层碳纳米管墨水（图3）制造的印刷晶体管阵列（图4 ）的迁移率是非晶硅的10倍以上。这 256 个器件均匀地分为开和关状态，产生 6 位开/关比 5 )。我们对使用该晶体管阵列的压力传感器装置进行了操作测试，并成功检测了多点的动态压力分布。未来，我们期待物联网在便利店和仓库的物品管理等方面的应用。

3.碳纳米角聚集体

3.1 碳纳米角聚集体的特性

碳纳米角聚集体（CNH）是上述饭岛于 1998 年发现的纳米碳。单碳纳米角（CNH）的结构是由单片石墨烯片制成的圆柱形材料（图1（c）），类似于单壁CNT。然而，它具有圆柱形结构，具有包含五元环的封闭结构，直径为2-5 nm，长度为40-50 nm，尖端处有约19°的圆锥角（图1（c） ））。这些 CNH 并不是孤立存在的；数千个 CNH 呈放射状聚集，形成直径约为 100 nm 的球形聚集体（图 1（d））。此外，通过氧化CNH的尖端和缺陷部分（开孔处理），可以利用内部纳米空间。NEC 已经开发出能够大规模生产廉价、高质量 CNH 的技术，并且正在销售样品并开发各种应用。

3.2 碳纳米角聚集体的量产技术及应用

CNHs可以通过在室温下在Ar气气氛中用CO 2激光照射没有金属催化剂的石墨靶来制备。该装置由石墨靶存储室、激光辐照室和CNHs回收室三个室组成，Ar气从激光辐照室底部进入，从回收室顶部排出。CO2激光照射后，石墨靶存储室中的新石墨靶将自动更换。我们采用直径100毫米、高度500毫米的大型石墨靶材，减少石墨靶材更换次数和时间。CO 2激光器采用连续波模式，输出功率为3.5 kW，靶材以2 rpm的速度螺旋旋转，从而连续生成CNH。生成的CNH被Ar气流携带，通过输送管移动到收集室，落下并收集在收集容器中，并通过关闭门来收集。借助该生产系统，NEC 能够以 100 克/小时和 1 公斤/天的速度连续生产 CNH。

4.碳纳米刷

4.1 碳纳米刷的特点及应用发展

碳纳米刷（CNB，纤维状碳纳米角聚集体）是NEC首席研究员Ryota Yuge于2015年发现的一种碳材料（图1（e））3）。其结构由单层CNH以放射状组装并以纤维方式连接组成，类似于试管刷或木槌。CNBs 可以通过激光烧蚀含铁碳靶材来制备，在此过程中 CNBs 和 CNHs 一起产生。此外，由于生产方法与CNH不同，CNH的量产技术已经确立，仅就目标而言，我们认为量产会相对容易。与传统的球形CNHs一样，它不仅具有高分散性和吸附性（高分散性），而且还具有优异的导电性，因此有望在未来的应用中得到应用。CNB 与 CNH 一样，高度分散。CNB 和 CNH 混合物在乙醇中的超声分散体的动态光散射测量可检测到 70-300 nm 和 1-10 µm 区域的粒度分布。这种微米级的尺寸分布似乎就是 CNB 的尺寸分布。此外，与CNH一样，氧化处理可产生约1,600 m 2 /g的极大比表面积。当在SiO 2基板上制作CNB和CNHs以及CNHs的混合物的薄膜并比较它们的电阻率时，CNB和CNHs的混合物的电阻率为CNHs的1/10。这表明 CNB 一维具有导电路径。因此，CNB是一种具有高导电性、高分散性、高比表面积的实用优异材料。

4.2 碳纳米刷应用实例

EDLC需要储存大量电荷并快速输入/输出，因此需要满足高比表面积、高导电率、高分散性等条件的电极材料。CNB 具有这些特性，使其成为 EDLC 应用的理想选择。图7显示了使用氧化处理后的CNB和CNHs的混合物(oxCNB/oxCNHs)、氧化处理后的CNHs(oxCNHs)以及市售YP50F作为电极材料的EDLC的容量保持率。oxCNB/oxCNHs、oxCNHs和YP50F的比表面积和静电容量几乎相同，通过使用oxCNB/oxCNHs，我们成功地将市售YP50F的输出特性（快速放电特性）提高了6倍以上。 。

5. 结论

本文介绍了NEC的CNT、CNH、CNB材料开发情况。对于碳纳米管，一种出色的金属/半导体分离技术，即电场感应层形成法已经开发出来，并且即将投入实际应用。采用该技术制造的晶体管具有高性能和稳定运行的特点，因此预计电子应用将加速。另一方面，CNH的量产技术已经确立，近年来，不仅NEC，试剂制造商也开始销售高质量的CNH，商业化的开发正在迅速推进。此外，自 2015 年发现 CNB 以来，人们一直在积极进行研究和开发，以评估其材料特性并开发其应用。如上所述，NEC 正在陆续创造并商业化使用纳米碳的新技术。未来我们将继续将纳米碳应用到多种产品中。