碳纳米管 (CNT) 是一种纳米级结构，在改善各类材料方面具有巨大潜力，但其化学和电学性质的不一致性、纯度、成本以及对潜在毒性的担忧，仍是目前面临的挑战。CNT 是一种一维碳同素异形体，由 sp2 杂化碳晶格构成圆柱状结构。单壁 CNT 为简单的管状，而多壁 CNT 则呈同心嵌套或卷轴状（图 1）。
这些纳米材料具有极高的杨氏模量和抗拉强度，并可表现出金属或半导体的电学特性。控制其原子排列（手性）会影响其导电性，因此，研究人员一直致力于探索如何通过合成参数来制备具有可预测电学性质的 CNT。过去 20 年间，各种基于化学气相沉积 (CVD) 的 CNT 合成工艺的开发，改善了这一状况。
正如我们在分析 CAS Content Collection™（全球最大的经人工标引的已发表科学信息合集）时所见，专利活动的增加表明人们对 CNT 的商业应用有着极高的兴趣（图 2）。
电池技术领域的专利增长
CNT 的强度和导电性使其在电池材料中极具价值，它们能在充放电循环中提供机械支撑，从而延长电池寿命，同时还能作为导电通路。我们对 CNT 相关文献的分析显示，专利文献中提及电池的频率约为期刊文献的三倍。（图 3）
这些发表趋势反映了 CNT 的商业可行性，以及它们在电动汽车和智能设备等日益增多的电池应用中的潜力。大量的电池专利来自中国、韩国和美国，这很可能是由这些地区庞大的消费电子产业和电动汽车制造商所驱动的。
CNT 文献涵盖了多种电池化学体系——锂离子电池占据主导地位，但近年来涉及锌离子电池的文献增长率显著。在锌离子电池中，CNT 的作用是形成高比表面积、机械强度高、柔韧且导电的支架，以支撑其他活性正极材料。这提高了电池的倍率性能和反复循环后的容量保持率。
MXene 纳米材料的出现也激发了人们将其用于电池电极的兴趣。在此应用中，碳纳米管（CNT）可用于控制 MXene 片层之间的间距并防止其重新堆叠，从而改善离子传输。CNT-MXene 组合也可用于超级电容器的储能应用，尽管这些文献引用主要见于期刊，表明它们尚未达到大规模商业化的程度。
复合材料应用稳步增长
自 20 世纪 90 年代初被发现以来，碳纳米管的主要应用领域一直是复合材料，它们在其中贡献了机械强度以及高导热和导电性能。从体育用品到工业涂料，随处可见它们的身影。我们现在看到，碳纳米管的相关文献开始引用其在水凝胶、环氧树脂和聚合物（包括可再生且可生物降解的聚乳酸 (PLA)）中的应用。在某些情况下，碳纳米管被用于增强脆性材料，帮助其承受高机械要求的应用。（图 6）
其他值得注意的引用涉及碳纳米管与聚合物基体结合用于电磁屏蔽。大量与复合材料相关的期刊和专利文献证明了碳纳米管复合材料创新在商业和实验应用中的可行性。
传感器和生物医学用途的研究兴趣
碳纳米管研究尚未实现大规模商业化但具有巨大潜力的两个领域是传感器和生物医学用途，例如药物输送。传感器是碳纳米管相关期刊文献中提及的第二大应用领域。碳纳米管可用于实现化学传感器和机械传感器，例如用于测量人体运动检测中的应变或压力的传感器。其强度、长径比、导电性以及进行化学功能化的能力，使其在转换和传输这些刺激信号方面非常有用，这也解释了它们在这些设备中的潜力。
我们的分析显示，虽然 14% 的碳纳米管期刊文献与传感器有关，但只有 7% 的专利文献涉及该领域。可能的原因是，在目前的开发阶段，实验室规模的某些传感器制造过程比商业化可行性所需的组装过程更耗费人力或需要更昂贵的材料。或者，实验室构想的传感器可能仅是概念验证，或利用了对未来开发而言商业价值相对较低的目标刺激信号。
同样，碳纳米管的生物医学应用占期刊文献的 9%，但仅占专利文献的 3%。碳纳米管已被用作药物输送支架的增强材料、神经导管上的导电材料，以及骨植入物的抗菌和结构材料。这些应用前景广阔，但碳纳米管的纯度、尺寸和形状可能会导致其具有毒性。因此，在商业化之前，需要进行更多的临床试验以充分探索其具体的生物医学用途。
环境修复应用的潜力
碳纳米管的高比表面积和化学可定制性使其成为吸附及其他类型环境污染物去除的理想选择。它们还可以通过助催化剂进行改性和定制，以增强与特定污染物的反应活性。例如，一种由碳纳米管增强的镧-钆-铁氧化物钙钛矿，与不含碳纳米管的钙钛矿相比，在酚红降解的光催化方面表现出更好的效果。
碳纳米管还可用作废水处理的吸附剂。它们已成功去除了环丙沙星，这是一种难以去除且对水生生物有害的抗生素。此后，我们看到比较碳纳米管和生物炭在去除环境污染物方面性能的文献引用显著增加。
与碳纳米管和环境修复相关的期刊文章数量远多于专利文献。可能的解释是，其成本使得它们在修复活动中经济上不可行，或者需要更多的基础研究来提高其效率。
碳纳米管需要克服的挑战
碳纳米管的应用领域广泛，涵盖储能、耐用品、电子产品、环境修复和生物医学设备等。其独特的性能使其成为多种产品的宝贵添加剂，但这些应用对精度的要求增加了其使用难度。我们的分析表明，调整合成参数以控制尺寸和手性仍然是一个活跃的研究领域。由于手性决定了碳纳米管的电学性质，这项研究可能会带来克服其中一些挑战的方法。
额外的研究，特别是体内和临床试验，将帮助科学家更好地了解生物医学应用中的毒性风险。碳纳米管的产量越高，研究人员就越能理解和控制其纯度。扩大生产规模也可以解决当前的成本问题，这可能会推动碳纳米管在环境修复解决方案和更多成本敏感型应用中的进一步发展。
尽管仍存在重大的研究障碍，但随着持续的创新，碳纳米管有望实现其巨大的商业潜力。
