美国化学会（ACS）旗下机构，ACS 国际印度有限公司，美国化学会旗下机构 --碳纳米管研究与开发综述：材料与新兴应用

全部新闻公司新闻产品新闻资料下载行业新闻

本综述文献基于对约26.5万篇碳纳米管（CNT）相关期刊与专利文献（2003‑2023年）的自然语言处理（NLP）分析，系统梳理了该领域的发展脉络、研究热点与商业化态势。其核心思想可总结为以下五点：
一、研究范式已从“合成探索”转向“应用驱动”
早期（2006年前）研究以合成方法（尤其是化学气相沉积，CVD）为主，现已成熟且高度集中。
当前增长动力源于新兴应用，尤其是能源存储与转换（电池、超级电容器）、传感器（可穿戴、柔性电子）、环境修复（包括CO₂还原）以及复合材料（尤其是聚合物基）。
二、应用发展呈现“学术”与“商业化”的分化特征
复合材料、传感器、生物医学等领域期刊发文量高，但专利占比相对低，显示仍以学术探索为主。
电池领域则表现出极高的“专利‑期刊比”，表明其商业化研发活动密集，已进入技术转化与市场布局关键阶段。
黏合剂等细分方向虽总量不大，但专利占比突出，显示特定利基市场的技术保护意图强烈。
三、材料选择遵循“性能‑成本”权衡逻辑
多壁碳纳米管（MWCNT）因成本优势（约单壁碳纳米管（SWCNT）的1/20），在多数应用（如结构复合材料、通用传感器）中占主导（使用比例约 2:1）。
SWCNT 在要求高电子结构可控性的领域（如晶体管、光电子学）以及生物医学（因其近红外光学特性与更可控的毒性）中成为优选。
四、技术融合与新兴交叉方向成为增长引擎
与其它纳米材料的复合是显著趋势，特别是与MXene、MOFs/COFs、纤维素纳米纤维等的结合，在能源、传感、环境领域产生协同效应。
NLP绘制的“趋势全景图” 揭示近期高增长概念包括：柔性可穿戴传感器、锌离子电池、摩擦/热电纳米发电机、相变储能材料、生物炭复合吸附剂等。
五、商业化态势：亚洲主导产出，资本聚焦能源与电子
中国在总发文量（期刊+专利）上全球领先。
美国则在高质量研究影响力（篇均被引）和资本投入（获得近半投资额）方面占据优势。
投资重点集中在能源存储（尤其是电池）和半导体/电子应用，表明资本看好CNT在这些领域的短期产业化前景。

图1. 碳纳米管及重要纳米材料近现代史重大事件时间线。事件以色码标识其所属领域（合成［紫色］、应用［黑色］或发现［橙色］）。

解析：

此图旨在通过时间轴可视化呈现碳纳米管（CNT）及相关纳米材料领域的关键发展节点。其核心设计逻辑如下：

1、时间线结构：水平时间轴（约1985-2021年）作为叙事主线，清晰展示领域发展的时序与脉络。

2、事件分类与色码系统：将关键事件划分为三类，并赋予不同颜色，实现视觉化快速辨识：

紫色（合成）：代表材料制备方法的突破（如化学气相沉积、大规模生产）。

黑色（应用）：代表将材料转化为实际器件或功能的里程碑（如晶体管、传感器）。

橙色（发现）：代表新材料的首次被观测或确认（如富勒烯、石墨烯、MXene）。

3、内容范畴：不仅包含碳纳米管自身的发现与进展（如1991年多壁碳纳米管合成），还纳入了对领域有重大影响的关联材料（如1985年富勒烯、2004年石墨烯、2011年MXene的发现），体现了纳米材料学科的交叉性与延续性。

4、功能与价值：该图将领域的发展脉络浓缩于单一视图中，使读者能迅速把握技术演进的驱动力（是基础发现、合成工艺还是应用需求）、理解关键突破之间的承继关系，并直观感受从基础研究到应用探索的转化节奏。对于领域新人，这是高效的历史导览；对于研究者，则有助于定位当前工作于宏观发展进程中的位置。

总而言之，图1不仅是一张历史事件列表，更是一个通过时序、分类与关联来解析纳米材料领域发展逻辑与动力结构的信息可视化工具。

图2：（A）1991年至2023年碳纳米管相关研究的总体发表趋势。（B）2003年至2023年碳纳米管相关研究的领先国家或地区。数据来源于CAS内容集的期刊与专利出版物。*注：2023年数据为局部数据，仅包含1月至7月。

解析：

这段文字说明了图2的数据内容和注意事项，其核心信息包括：

1.图表构成：

(A) 部分：展示了时间趋势，横跨1991-2023年，旨在呈现碳纳米管领域研究产出的长期变化，如增长阶段、平台期或转折点。

(B) 部分：展示了空间（地域）分布，聚焦2003-2023年，旨在识别在该领域研究产出（包括期刊与专利）方面领先的国家或地区，反映了全球范围内的研究活跃度与竞争格局。

2.数据来源与类型：明确指出数据来自CAS内容集，这是一个权威的科学文献数据库。数据同时包含期刊出版物（通常代表学术研究进展）和专利出版物（通常代表技术开发与商业化活动），这种综合考量提供了从基础研究到应用创新的全景视图。

3.重要数据说明（脚注）：对2023年数据进行了关键限定，指出其仅为1月至7月的局部数据。这一说明至关重要，因为它提示读者：

在观察2023年的数据点或进行年度比较时，应认识到该年数据不完整。

图(A)中2023年的趋势线末端可能无法代表全年态势，在解读时需避免过度推断。

图(B)中2023年的国家/地区排名可能因数据不全而存在偏差。

总结来说，图2通过趋势图与地域分布图，结合学术与专利文献，从时间与空间两个维度量化展示了碳纳米管领域的研究规模与发展态势。脚注则体现了数据处理的严谨性，提醒读者注意数据的局限性，确保解读的准确性。

图3. 以单篇文献平均被引次数计，碳纳米管相关研究领域领先的研究机构。数据涵盖2003年至2023年间CAS内容集中的期刊文献。

解析：

这段文字说明了图3的评价维度与数据构成，其核心信息在于：

1)评价指标：图3采用的衡量标准是“单篇文献的平均被引次数”。与单纯统计发表总量的排名不同，这一指标更侧重于衡量研究机构所发表工作的学术影响力或受关注度。高平均被引通常意味着研究成果质量较高、更具开创性或在该领域内引起了广泛讨论与跟进。

2)排名对象：排名主体是“研究机构”（例如大学、研究所），而非国家或地区。这有助于识别在碳纳米管研究领域内，哪些具体的学术实体在产出高质量、高影响力成果方面表现突出。

3)数据来源与时限：数据同样源自CAS内容集，但明确限定为 “期刊文献” ，且时间跨度为2003年至2023年。

仅使用期刊文献，排除了专利数据，使排名更聚焦于学术影响力本身。

长达20年的数据跨度，能够较为稳定地反映各机构在该领域的长期学术影响力积淀，而非短期的发表波动。

总而言之，图3提供的是一个基于学术影响力（而非产出数量）的研究机构排名。它回答了“哪些机构在碳纳米管领域产出的研究更具分量、更受同行重视？”这一问题，为评估机构的研究质量与学术声誉提供了一个重要视角。

图4.（A）碳纳米管研究领域中，主要商业机构的专利持有者分布。柱状图以颜色区分所属行业类型。（B）商业专利出版物的地理分布情况。数据来源于CAS数据集合中2003年至2023年间碳纳米管相关研究的专利出版物。

解析：

这段文字描述了图4的两个子图所呈现的不同维度的专利分析信息：

1)维度一：专利持有者的行业属性（A部分）

该图关注商业实体（而非学术机构）在碳纳米管领域的专利布局。

通过行业类型着色的柱状图，直观展示了哪些产业领域（如电子、化工、能源、汽车等）在该技术的商业化研发中最为活跃。这揭示了碳纳米管技术当前及潜在的主要产业化方向和市场驱动力量。

2)维度二：专利布局的地理分布（B部分）

该图从地域角度展示了商业专利的集中度，反映出不同国家/地区在碳纳米管技术商业化方面的投入、实力及市场战略布局。

结合图2(B)的整体研究地域分布（含期刊与专利），可以进一步分析哪些地区更侧重于学术研究（期刊多），哪些地区更侧重于技术开发与市场保护（专利多），从而评估全球碳纳米管技术创新的地域格局。

3)数据层面：

数据源：依然来自权威的CAS数据集合，确保一致性。

数据类型：专门聚焦于专利出版物，直接反映技术保护和商业活动。

时间跨度：2003至2023年，覆盖了碳纳米管技术从兴起到发展的重要时期，能呈现稳定的长期趋势。

总结来说，图4从“谁在做”（按行业的专利持有者）和 “在哪里做”（专利的地理分布）两个互补的视角，刻画了碳纳米管技术商业化和知识产权布局的竞争版图，是评估该技术市场转化现状和未来产业格局的关键参考。

图5.（A）展示碳纳米管各应用方向出版物分布的饼图：外层为期刊文献，内层为专利文献。（B）部分选定应用的专利与期刊文献数量比值。数据来源于CAS内容集2003-2023年碳纳米管领域的期刊与专利文献。

解析：

这段文字介绍了图5的构成及其分析方法：

1)图表结构（A部分）：

双重饼图设计：外层（期刊）与内层（专利）的同心饼图结构，直观对比同一应用领域中学术研究（期刊）与技术开发（专利）的关注度差异。

应用分类基准：以“具体应用方向”（如传感器、电池、复合材料等）作为分类维度，而非材料类型或合成方法，直接反映了研发活动的最终目标导向。

2)核心分析指标（B部分）：

专利-期刊比值：该比值是衡量技术商业化成熟度或市场紧迫性的关键指标。

高比值（如 >1）：表明该应用方向（如电池、粘合剂）的技术保护与商业化活动密集，可能接近或已进入市场应用阶段。

低比值（如 <1）：表明该方向（如传感器、环境修复）当前仍以学术探索为主，或商业化路径尚不明晰/经济激励不足。

3)数据意义：

通过对比（A）中各类应用的出版物绝对数量（规模）与（B）中的专利-期刊比值（商业化倾向），可综合判断：

热门且商业化的领域：期刊和专利数量都大，且比值高（如电池）。

热门但尚未充分商业化的领域：期刊数量大，但专利相对较少，比值低（如传感器、环境修复）。

细分或新兴的利基市场：总出版物数量可能不大，但专利占比高，显示强烈的技术布局意图（如粘合剂）。

总而言之，图5通过规模分布与商业化倾向两个关联视图，系统揭示了碳纳米管不同应用方向的研发现状与转化阶段，为判断技术成熟度、识别市场机会与评估研发策略提供了量化依据。

图6.（A）单壁碳纳米管与多壁碳纳米管在不同选定应用中的共现关系。（B）部分选定应用中单壁碳纳米管与多壁碳纳米管相关文献的数量比值。数据来源于CAS内容集2003-2023年碳纳米管领域的期刊与专利文献。

解析：

这段文字阐释了图6的核心分析逻辑，它旨在揭示碳纳米管不同类型（SWCNT vs. MWCNT）与具体应用选择之间的关联规律：

1)分析视角（A部分）：

采用共现分析方法，可视化展示两类碳纳米管（SWCNT和MWCNT）在不同应用领域被同时提及或研究的关联强度。这有助于理解两类材料在实际应用中是如何被区分或组合使用的。

桑基图是呈现此类关系的理想形式，能清晰展示材料的“流向”及其在各应用中的占比分布。

2)量化比较指标（B部分）：

SWCNT/MWCNT文献数量比值是关键量化指标，直接反映在特定应用中两类材料的研究热度或技术偏好。

比值高（接近或大于1）：表明该应用（如晶体管、光电子学、生物医学）中，研究更倾向于使用SWCNT。这通常与SWCNT在电学性能、光学性质、结构均一性等方面的独特优势相关。

比值低（远小于1）：表明该应用（如结构复合材料、传感器、环境修复）中，MWCNT占主导。这主要归因于MWCNT的成本显著更低，且在机械增强、导电添加剂等许多功能应用中已能满足需求。

比值接近中等水平：可能表明在该应用中，两类材料各有优劣，选择取决于具体性能要求与成本的权衡（如太阳能电池、氢储存）。

3)决策与战略意义：

此图回答了“对于我的目标应用，应该优先考虑哪种类型的碳纳米管？”这一实际问题。

它综合了性能需求（SWCNT的精确性能优势）与经济性（MWCNT的成本优势）两个维度，为材料选择、研发资源分配和市场定位提供了基于大数据的客观参考。

总而言之，图6通过关联分析与比值量化，深刻揭示了碳纳米管材料类型选择与应用领域之间的内在逻辑，即“性能-成本”权衡在具体应用场景下的实际体现，是连接材料科学与工程应用的关键洞察。

图7. 通过对超过26.5万份文献进行NLP分析生成的碳纳米管出版物新兴概念“趋势全景图”。每个节点的尺寸和颜色分别表示2020至2022年间相关文献的总数量及相对增长率。

解析：

这段文字说明了图7的核心——它是一个基于自然语言处理（NLP）技术生成的可视化“趋势地图”。其设计逻辑和解读方式如下：

1)生成方法与数据规模：

基于NLP分析从超过26.5万份文献中自动识别和提取概念，确保了分析的客观性、全面性，并能发现人脑难以直接归纳的隐性关联。

“趋势全景图”的命名表明其旨在系统、宏观地展现整个领域的知识结构与动态。

2)可视化编码规则（如何看图）：

节点：代表一个新兴概念（如具体材料、应用、性能等）。

节点尺寸：代表该概念在2020-2022年间的总发文量。尺寸越大，表明该概念近期的研究绝对热度越高，是当前领域的核心焦点。

节点颜色：代表该概念的相对增长率（如从2020到2022年的增长幅度）。颜色越深（或根据色谱，如偏向红色），通常表示其增长率越快，是正在加速兴起的“风口”或前沿方向。

节点间的连线：通常表示概念之间的共现或强关联关系，从而形成知识网络，揭示不同研究方向之间的交叉与融合。

3)核心价值与功能：

该图同时呈现了“现状”（尺寸：当前热度）与“势头”（颜色：增长趋势），是区分成熟热点与新兴前沿的关键工具。

它能帮助研究者快速回答以下战略问题：

当前最主要的研究方向是什么？（寻找大节点）

哪些方向正在快速崛起、最具发展潜力？（寻找深色/高增长节点，尤其是那些目前尺寸可能不大但增长迅猛的节点）

不同研究方向之间是如何关联的？（观察网络集群与连线）

总而言之，图7不再是对单一维度的统计描述，而是一个基于大数据与人工智能技术绘制的、动态的领域知识生态图谱。它将海量文献信息浓缩为可视化的“趋势地形”，是研究者把握领域演进脉络、识别创新机会、规划研发路径的强力导航工具。

图8. 对图7中选取的部分概念及概念组进行的时间趋势分析。（A）更广泛的新兴应用领域，以及针对（B）能源储存、（C）电池、（D）清洁能源和（E）生物医学领域的专利与期刊文献数量增长情况。数据来源于CAS内容集2003至2022年间碳纳米管相关研究领域的专利和期刊文献。

解析：

这段文字说明了图8的构成与目标，它是从图7的宏观全景中，对重点领域进行的纵向、深度的趋势剖析：

1)分析逻辑：

与图7的关系：图8是对图7（静态快照式的“趋势全景图”）的深化和补充。它选取图7中识别出的重要概念或概念群，追溯其在时间维度（2003-2022年）上的演变轨迹，将“趋势”动态化、历史化。

维度拆分：图8从宏观到具体，将趋势分析拆解为五个细分视图：

(A) 广泛的新兴应用：提供一个顶层、综合的应用增长视图。

(B-E) 具体领域：分别聚焦于能源存储、电池、清洁能源、生物医学这四个关键方向。这种拆分允许进行更精细的领域内趋势分析，比如观察“电池”领域内不同技术路线的更迭，或“清洁能源”领域中太阳能、氢能等子方向的变化。

2)关键指标与呈现：

时间序列：横轴为年份（2003-2022），纵轴为出版物数量（通常分期刊与专利），以折线图形式展示。

数据分离：同时展示期刊和专利的增长曲线，使得在每个领域内都能观察到：

学术研究热度（期刊曲线）的启动、高峰与变化。

技术开发与商业化活动（专利曲线）的跟进节奏及其与学术研究的滞后关系或同步性。

两条曲线之间的“剪刀差” 或“收敛/发散”态势，是判断该领域从基础研究向应用转化阶段的关键信号。

3)核心价值：

它回答了“这个热门领域是如何发展起来的？”以及“其商业化进程处于哪个阶段？”等关键问题。

通过观察趋势线的斜率变化（加速/减速）、拐点（关键事件）、以及期刊与专利曲线的相对位置，研究者可以：

判断领域生命周期：是处于萌芽期、快速成长期、成熟期还是平台/衰退期？

识别技术成熟度：专利曲线是否已接近或超越期刊曲线？这常意味着技术开始进入规模化应用前夜。

发现历史机遇与挑战：增长的陡峭期常对应重大技术突破或政策驱动；平台期可能意味着面临技术瓶颈或市场阻力。

总而言之，图8将图7的“是什么”和“在哪里”推进到了“如何演变”的层面。它通过纵向时间序列分析与期刊-专利对比，为理解重点领域的发展历史、现状阶段与未来走向提供了动态、深入的洞察，是进行技术预测与战略决策的重要依据。

图9. 基于2003-2023年CAS内容集中碳纳米管领域期刊文献的复合材料结构分析图。第二列和第三列分别展示了碳纳米管复合材料的类型及其常用应用领域。最右侧一列则展示了个别聚合物、金属氧化物和金属基体材料，以及归入“CNT/其他复合材料”类别的材料，例如金属有机框架（MOFs）、沸石咪唑酯框架（ZIFs）和共价有机框架（COFs）。

解析：

这段文字说明了图9（通常为桑基图）的构成及其分析逻辑，它旨在系统解构并可视化碳纳米管复合材料领域的研究全貌与应用知识网络：

1)图表结构与数据流（“桑基图”逻辑）：

该图从左至右通常包含三列，形成“基体材料类型 → 复合材料类型 → 最终应用”的数据流向。

第一列（最左）：基体材料分类（如聚合物基、陶瓷基、金属基、MOFs/COFs等“其他”基体）。这是复合材料的起点。

第二列：具体的复合材料类型（如CNT/聚合物复合材料、CNT/金属氧化物复合材料等）。这反映了碳纳米管与不同类别基体的实际结合形式。

第三列：复合材料被应用的终端领域（如传感器、电池、结构材料等）。

各列之间的连线宽度代表该路径上出版物数量的多少，直观显示各研究路线的热度与主导方向。

2)分析深度与粒度：

它超越了图5、图6的宏观应用或材料类型分类，深入到复合材料这一具体技术形态内部，揭示其“成分-结构-功能”之间的映射关系。

通过聚合物的进一步细分（在右侧列出具体聚合物名称），提供了材料级别的具体信息，让研究者知道“究竟是哪些具体的聚合物”常与CNT复合用于特定应用。

3)核心洞察价值：

这张图高效地回答了复合材料研究的几个核心问题：

主流复合体系是什么？（看最宽的连线：很可能集中在聚合物基复合材料，并流向传感器和能源存储应用）。

特定基体材料倾向于哪些应用？（例如，MOFs/COFs等框架材料是否更集中于能源存储应用？）。

是否存在研究空白或潜在机会？（哪些基体材料或复合材料类型与应用领域的连线很细甚至缺失？这可能意味着未被充分探索的交叉方向）。

总而言之，图9是碳纳米管复合材料研究领域的“知识图谱”或“技术路线图”。它通过桑基图的多级分流与量化呈现，将庞杂的复合材料研究数据梳理成一个清晰的网络，完整展示了从基础材料选择，到复合体系构建，再到最终功能实现的主流路径与热点方向，为材料设计、应用开发和技术布局提供了全景式的参考蓝图。

解析：

这段文字阐释了图10的核心——它从资本市场和商业投资的视角，定量描绘了碳纳米管技术的商业化吸引力与产业化进程，是连接技术研发与市场前景的关键桥梁。

1)四个互补的投融资分析维度：

(A) 时间趋势：展示了2013-2023年间总投资额的变化曲线。这反映了资本市场对碳纳米管技术的整体信心波动。上升趋势意味着看好其商业化前景，投资活跃；平台或下降可能反映技术瓶颈、市场预期调整或投资周期变化。

(B) 地理分布：显示了投资资金的地域集中度。结合企业数量，可以判断哪些地区不仅吸引了资金，还培育了活跃的企业生态（如美国、中国）。这揭示了全球碳纳米管产业的地理重心和竞争格局。

(D) 重大交易：聚焦前50大交易并按产业分类，提供了对市场有重大影响的具体资本事件的洞察。这有助于识别主要的市场参与者、投资机构，并理解资本在不同产业间配置的规模与偏好。

2)数据源与核心指标：

数据源于PitchBook等专业投融资数据库，直接反映真实的市场行为与资本动向。

核心指标是投资金额和交易数量/规模，这些是衡量技术商业化阶段和市场热度的硬指标。

3）战略意义：

该图回答了技术产业化过程中的关键问题：

资本是否看好？整体投入趋势如何？（看A）

全球产业布局在哪里？哪里是热点？（看B）

资本最赌哪些应用方向？（看C、D）

谁是主要的市场参与者和推动者？（看D中的交易主体）

它为创业者、投资者、企业战略部门提供了客观的决策依据：应进入哪个应用领域？应在哪里布局？技术处于商业化哪个阶段？竞争态势如何？

总而言之，图10超越了学术文献分析，从真实世界的资本流动角度，为碳纳米管技术的商业化成熟度、市场竞争力与未来产业格局提供了最直接、最有力的证据。它将技术趋势与市场价值紧密连接，是评估碳纳米管从“实验室技术”走向“产业化产品”这一进程的关键仪表盘。

本研究通过NLP分析2020‑2022年文献，识别碳纳米管的主要及新兴趋势。过去20年，聚合物复合材料、传感器、生物医学和电池是主导应用方向。电池领域的专利比例显著高于期刊，显示其商业化研发活跃度高。化学气相沉积（CVD）是主流合成方法，占比达其他方法的4‑5倍。合成相关研究自2006年后有所减少，但对结构精确控制的研究仍在持续。多壁碳纳米管因成本较低使用更广（占比约2/3），而单壁管在晶体管、光子学等高性能领域占优。近年来，碳纳米管在能源存储与转换、可穿戴传感器、环境修复与CO₂还原、以及与MXene等纳米材料复合方向增长迅速。其高强度、导电导热和可功能化等特性，正推动其在关键科技领域的应用拓展。理解这些趋势有助于进一步引导碳纳米管及相关纳米材料的研究与产业化发展。https://doi.org/10.1021/acsanm.4c02721

转自《石墨烯研究》公众号



您的称呼 :
联系电话 :
您的邮箱 :
咨询内容 :