综述：碳纳米管和纳米纤维作为未来构建模块的结构、合成、性能及功能化展望

《Materials Science and Engineering: B》：Carbon nanotubes and nanofibers as building blocks for the future: Structure, synthesis, properties, and functionalization perspectives

这篇综述系统阐述了碳纳米管（CNTs）和碳纳米纤维（CNFs）的结构特性、合成方法（如化学气相沉积CVD、电纺丝）、功能化策略（如酸处理、金属纳米颗粒修饰）及其在能源存储、生物医学等领域的应用，重点探讨了形貌控制与性能优化的关联性，为纳米材料设计提供了理论指导。

　　

碳纳米材料的结构与分类

碳纳米材料（CNMs）按维度可分为零维（0D，如富勒烯C₆₀）、一维（1D，如CNTs/CNFs）、二维（2D，如石墨烯）和三维（3D，如碳气凝胶）。CNTs由卷曲的石墨烯片构成，分为单壁（SWCNTs）和多壁（MWCNTs），直径0.4-100 nm，具有高达60 GPa的机械强度和3500 W/m·K的热导率。CNFs则呈现堆叠石墨烯层的片状、锥状或杯状形态，直径5-100 nm，其暴露的石墨边缘增强了化学反应性。

合成方法进展

电弧放电法在4000-6000 K高温下通过石墨电极蒸发合成CNTs，但能耗高；化学气相沉积（CVD）利用金属催化剂（如Fe、Co）在700-900°C分解碳源气体，可精确控制形貌；等离子体增强CVD（PECVD）在低温下实现垂直排列CNTs的生长。电纺丝技术通过静电纺丝聚合物前体（如PAN）并结合碳化，制备连续CNFs，其直径可调至纳米级。激光烧蚀法采用飞秒激光脉冲（强度10¹³ W/cm²）实现非热蒸发，适合高纯度CNTs合成。

性能调控与功能化

CNTs的导电性取决于手性，扶手椅型呈金属性，锯齿型为半导体。通过共价修饰（如羧基化）或非共价包裹（如聚合物π-π堆叠）可增强分散性。金属纳米颗粒（如Au、Ru）修饰提升催化活性，例如Ru-CNFs对多巴胺检测限低至nM级。氮掺杂CNFs的比电容达359.9 F/g，而硫掺杂MXene/CNF复合材料在锂硫电池中展现304 mAh/g的可逆容量。

应用挑战与前景

尽管CNTs/CNFs在超级电容器（能量密度26.3 Wh/kg）、肿瘤靶向给药（载药量提升79%）等领域潜力巨大，但规模化生产仍受制于成本（CVD设备昂贵）和均一性（批次差异）。未来方向包括开发生物质衍生前驱体、优化电纺丝-模板联用工艺，以及建立毒性评估标准。例如，微波辅助 pyrolysis 利用稻壳合成石墨烯-CNT杂化材料，为绿色合成提供新思路。

机械与热学性能对比

CNFs的拉伸强度（1-3 GPa）低于CNTs（11-63 GPa），但压缩CNF垫可将密度从0.05提升至0.6 g/cm³，电容增加至130 F/cm³。Ag/CNT复合材料的热导率达126 W/mK，适用于柔性电子散热。缺陷工程（如等离子体蚀刻）可调控孔隙率，使CNFs的比表面积突破2000 m²/g，显著提升污染物吸附效率（如Pb²⁺去除率79%/min）。

结论

通过跨学科策略优化合成-结构-性能关系，CNTs/CNFs将推动下一代能源、医疗和环境技术的发展，而标准化生产与安全性评估是实现商业化的关键突破点。