多壁碳纳米管（MWCNTs）可以被看作是由多层石墨烯同心嵌套而成的圆柱体，是目前产量最大、应用最广泛的碳纳米管类型。

• sp²杂化碳晶格: MWCNTs的管壁由sp²杂化碳原子构成的蜂窝状晶格组成，这赋予了其优异的机械、电学和热学性能。

MWCNTs的独特性质主要来自于其一维高长径比的形貌和多层管壁的结构。

• 优异的电学性能: 这是MWCNTs最重要的应用特性。由于其多层管壁中总会包含金属性的管层，因此MWCNTs整体上表现为优异的导体。它们可以被方便地作为导电添加剂，以极低的添加量（通常
• 卓越的机械增强性能: MWCNTs具有极高的抗拉强度和杨氏模量。作为一种理想的纳米增强相，将其添加到聚合物、金属或陶瓷基体中，可以显著提高复合材料的强度、韧性和耐磨性。
• 高热导率: MWCNTs沿轴向的热导率极高，是一种优异的热导体，可用于制造高导热复合材料和热界面材料。
• 与SWCNTs的区别: 与SWCNTs不同，MWCNTs的电子能带结构是多层管壁的复杂叠加，不具有手性依赖的半导体特性和清晰的近红外荧光。其性质更接近于一种“石墨烯纳米线”。

对于MWCNTs，其性能调控的主要手段是通过化学功能化来改善其分散性、引入新功能，或通过杂原子掺杂来引入催化活性。

目标: 克服MWCNTs极强的疏水性和范德华力导致的成束问题，并提高其与基体材料的界面结合。

• 共价功能化: 通过强酸（如浓硝酸/浓硫酸混合物）氧化处理，可以在MWCNT的管壁（主要是缺陷位点）和端点引入羧基（-COOH）和羟基（-OH）。这些基团可以：
  • 改善分散性: 极大地提高其在水和极性溶剂中的分散性。
  • 增强界面结合: 作为“化学锚点”，与聚合物或树脂基体发生化学反应，形成牢固的共价键界面，从而显著提高复合材料的力学性能。
• 非共价功能化: 利用MWCNT巨大的π共轭表面，通过π-π堆积或疏水相互作用，将表面活性剂、DNA、芳香族聚合物等分子物理吸附在其表面，以实现其在溶液中的稳定分散。

目标: 将非碳元素（如N, B, P, S）共价地掺入MWCNTs的石墨烯晶格中，以引入催化活性位点。

• 氮（N）掺杂: N掺杂的MWCNTs是性能优异的无金属电催化剂，特别是在氧还原反应（ORR）中。

多壁碳纳米管（MWCNTs）作为一种导电性好、比表面积巨大、化学性质极其稳定的碳材料，在催化领域是一种性能卓越、应用广泛的催化剂载体。

将金属纳米颗粒负载于MWCNTs表面，可以构建出兼具高活性和高稳定性的复合催化剂。

• 高比表面积与高分散: MWCNTs巨大的比表面积允许催化活性组分（如Pt, Pd等贵金属纳米颗粒）以高度分散的状态负载在表面，有效防止其团聚，从而最大化活性位点的暴露，提高催化效率。
• 优异的导电性与稳定性: MWCNTs的石墨烯骨架具有优异的导电性，非常适合作为电催化剂的载体。其多层管壁结构使其具有比活性炭等传统碳载体高得多的抗电化学腐蚀能力，从而极大地提高了催化剂在燃料电池等苛刻环境中的使用寿命。
• 载体-金属强相互作用 (SMSI): MWCNTs与负载的金属颗粒之间存在强的电子相互作用，可以改变金属的电子结构，从而进一步提高其催化活性和稳定性。

多壁碳纳米管（MWCNTs）不具备清晰的荧光特性。然而，其优异的导电性、巨大的比表面积和独特的近红外光学吸收，使其在生物传感和成像领域具有独特的应用价值。

由MWCNTs修饰的电极是构建高灵敏度、高稳定性电化学生物传感器的理想平台。

• 原理: MWCNTs修饰的电极具有巨大的电化学活性表面积和优异的电子传输能力，可以固定大量的生物识别分子（如酶、抗体），并快速传递生物识别事件产生的电子信号，从而显著放大信号，提高传感器的灵敏度。

MWCNTs在近红外（NIR）光区具有宽谱的、强烈的吸收。

• 原理: 当脉冲激光照射时，富集在组织深处的MWCNTs吸收光能并瞬时产热，引起周围组织的热弹性膨胀并产生可被检测的超声波信号。
• 优势: 光声成像结合了光学成像的高对比度和超声成像的深穿透深度。MWCNTs作为一种低成本、高光热转换效率、高稳定性的造影剂，在深层组织成像中具有巨大潜力。

多壁碳纳米管（MWCNTs）因其高比表面积、独特的近红外光学特性和穿膜能力，在药物递送和肿瘤治疗领域展现出巨大的应用潜力。

MWCNTs的高比表面积和表面化学使其成为一种多功能的药物递送平台。

• 高载药量: MWCNTs巨大的外表面，使其能够通过π-π堆积或共价键，高效负载化疗药物（特别是具有芳香环的药物，如阿霉素DOX）。
• “纳米注射器”效应: MWCNTs的针状形态使其能够像“针”一样，通过能量依赖性的内吞或非依赖性的方式穿透细胞膜，将负载的药物或基因直接递送到细胞质中，从而大大提高药物的生物利用度。

MWCNTs在近红外（NIR）光区具有宽谱的、强烈的吸收。

• 原理: 当近红外激光照射时，富集在肿瘤部位的MWCNTs吸收光能并高效地将其转化为热量，使肿瘤局部温度快速升高，从而选择性地烧蚀癌细胞。
• 优势: 相比于贵金属等光热剂，MWCNTs具有成本低、光热转换效率高、光稳定性极佳的优点。

多壁碳纳米管（MWCNTs）的生物安全性是一个极具争议和广泛研究的课题，其核心在于其一维的纤维状形态。

• 类石棉效应 (Asbestos-like Effect): 这是评估所有高长径比纳米材料安全性的一个核心概念。如果MWCNTs的长度足够长（> 15-20 μm）、刚性足够强且生物持久性足够高，它们可能会在被吸入肺部后，因无法被巨噬细胞完全吞噬而引发持续的、慢性的炎症反应，即“受挫的吞噬作用 (Frustrated Phagocytosis)”，并可能最终导致肺纤维化甚至间皮瘤等严重疾病。
• 生物持久性 (Non-biodegradable): MWCNTs的石墨烯骨架极其稳定，在生理条件下是不可生物降解的。这意味着长的MWCNTs一旦进入体内深处（如肺部），可能会永久存留，从而带来长期的慢性炎症风险。

• 尺寸依赖性: 短的（
• 表面化学: 通过聚乙二醇（PEG）等亲水性高分子进行表面修饰，可以极大地提高其生物相容性，减少免疫系统的识别，并促进其清除。

多壁碳纳米管是所有碳纳米管中技术最成熟、最容易实现大规模工业化生产的类型。

这是制备高质量、可控MWCNTs最主流、最通用的方法，特别适用于大规模生产。

• 原理:
  1. 催化剂准备: 首先在载体（如Al₂O₃, MgO）上负载一层金属催化剂纳米颗粒（最常用的是铁、钴、镍及其合金）。
  2. 加热与通气: 在高温（~600-900 °C）、还原性气氛（如H₂）下，将含碳的气体前驱物（如乙烯、乙炔）引入流化床或固定床反应器中。
  3. 催化裂解与生长: 碳源气体在催化剂颗粒表面裂解，碳原子溶解到金属颗粒中。当碳达到过饱和时，会以管状的sp²结构从金属颗粒表面析出、生长，形成MWCNTs。
• 优势: CVD法工艺成熟、成本相对较低，是目前工业上生产MWCNTs的主要方法。

• 电弧放电法: 在充满惰性气体的反应室中，通过石墨电极之间的大电流电弧来蒸发碳，冷凝后即可获得结晶质量极高的MWCNTs。

对多壁碳纳米管（MWCNTs）的精确表征是确认其结构、纯度和性能的关键。

• 透射电子显微镜 (TEM): 这是鉴定MWCNTs多壁结构的金标准技术。在TEM图像中，可以清晰地观察到由多层石墨烯构成的同心管壁，并可测量其内径、外径和层数。
• 拉曼光谱 (Raman): 这是表征MWCNTs结晶质量的关键技术。
  • G峰和D峰: G峰（~1580 cm⁻¹）代表sp²碳的振动，D峰（~1350 cm⁻¹）代表缺陷。G/D比值是评价MWCNT结晶质量和纯度的最核心参数，比值越高，说明其石墨化程度越高、缺陷越少。
• 热重分析 (TGA): 用于评估MWCNTs的纯度。在空气中加热，MWCNTs会在~600-800 °C被氧化烧蚀掉，而残留的灰分则主要是金属催化剂杂质。

多壁碳纳米管的表面工程是其实现所有应用（特别是复合材料和生物医学应用）的前提，其核心任务是克服其极强的疏水性和范德华力导致的成束问题，并引入功能性基团。

目标: 在MWCNT的管壁或端点共价连接上稳定的化学官能团，以改善其分散性和界面结合。

• 氧化法: 这是最常用、最经典的功能化方法。通过强酸（如浓硝酸/浓硫酸混合物）处理，可以在MWCNT的缺陷位点和端点引入羧基（-COOH）和羟基（-OH）。这些基团不仅可以提高其水溶性，更重要的是可以作为“化学手柄”，用于后续的EDC/NHS等偶联反应，连接药物、抗体、或与聚合物基体形成共价键。

这是一种温和、不破坏MWCNT完美sp²结构的修饰方法，旨在通过物理吸附实现其在溶液或基体中的稳定分散。

• 表面活性剂包裹: 利用表面活性剂（如SDS, SDBS）的疏水端与MWCNT表面结合，亲水端朝外，可以在MWCNT表面形成一层胶束，通过静电或空间位阻实现其在水中的稳定分散。
• 聚合物包裹: 利用芳香族聚合物（如聚苯乙烯磺酸盐, PSS），通过π-π堆积作用，缠绕在MWCNT表面，同样可以实现高效、稳定的分散。
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