碳纳米管是二十世纪九十年代日本科学家饭岛澄男（Sumio Iijima. Helical microtubules of graphitic carbon. Nature,1991,354:56～58）最早在电弧放电法制备的碳产物中发现的，并用电子显微镜和电子衍射表征了其结构的新型碳材料，从此打开了碳材料的一扇新大门。

碳纳米管具有碳六元环卷曲而成的无缝中空筒状结构，其中碳原子以碳——碳共价键结合，形成自然界中最强力的化学健之一，因此沿长度方向具有极高的强度、韧性和导电性，而且具有非常高的长径比，其结构特点就决定了其具有超高的力学、电学、热学等性质，曾获得诺贝尔奖的美国莱斯大学教授Richard Errett Smalley就预言“碳纳米管是人们所能制造出来的最强、最刚、最硬的分子，同时是最好的热和电的分子导体”。

（图1，5层碳纳米管的透射电镜照片，具有同轴管状结构，数据来源：赢纳材料）

（图2，2、3、4层寡壁碳纳米管并存的高倍透射电镜照片，数据来源：赢纳材料）

新技术的产业化是非常艰难和曲折的过程，需要大量的资金投入，多年的长期耐心孵化等。不少理论上预测性能极佳的材料，实现其产业化并大批量生产都面临重重困难，以石墨烯新材料为例，石墨烯曾在全国火遍半边天，直到今天，因为技术上无法实现的优异性能，与市场严重脱节等原因，大部分石墨烯企业已经黯然退场。

碳纳米管的发现至今已有三十多年，碳纳米管开始逐步实现量产，并在锂电池导电剂、导电塑料等领域实现初步工业化应用，国内也大大小小有十多家碳纳米管生产企业，全球市场也有几百亿元人民币，其中还有专门从事碳纳米管生产应用的上市公司，和介入碳纳米管业务的多家上市公司。国内少部分碳纳米管企业的生产规模，达到年产千吨级碳纳米管粉体规模，开始逐步能与国外知名企业相抗衡，例如传统实力多元化企业韩国的LG，法国的阿科玛等。

这依然和大家所期盼的市场化局面相距甚远。时至今日，与碳纳米管有关的应用有上百项，与碳纳米管应用相关的专利有上千项，但是，碳纳米管应用普及的程度还远达不到理论预测，也离实验室所开发出来的碳纳米管应用的深度和广度相去甚远。

举个例子，碳纳米管不仅可以用于高端的各类芯片、传感器等高级领域。碳纳米管也可以添加到混凝土里等接地气的建筑工程领域，碳纳米管可以大大强化混凝土的强度、韧性和抗冲击性能，光是这一领域，都已经发表了大量的文献和论文。若是能把碳纳米管应用到大型水电站的大坝、水泥建筑等工程领域，会对国民经济产生明显的益处。

其中最主要的原因之一就是碳纳米管产业化生产的产能规模依然较小，与传统碳材料炭黑、石墨、活性炭等相比，价格仍然高于其它同类产品。目前，碳纳米管粉体的价格依然还是处于6-50万人民币/吨，高高在上的价格，阻碍了众多新应用大门的打开，所以目前碳纳米管只能少量地用于一些高端应用领域。与传统的碳材料炭黑、石墨、活性炭等相比，碳纳米管工业产业的规模和普及度还相去甚远。较小的生产和供应规模，较高的销售价格，远不足以支撑起巨大的碳纳米管应用市场。需要大的碳纳米管生产能力来支撑，低成本高质量的碳纳米管的可持续供应，尤其是进一步大幅度降低成本，才能打开巨大的潜在下游应用市场。下游应用市场迫切需要，进一步提升碳纳米管的生产规模到十万吨级、百万吨级，同时大幅度降低碳纳米管的价格，才能让众多碳纳米管的应用得到实现，井喷式的打开更大更多的碳纳米管应用市场，从而把碳纳米管真正的做到预测的万亿级市场规模。

党中央在“十五五”规划纲要草案提出，加强原始创新和关键核心技术攻关。经过这么多年的发展，我国科技事业发展取得了巨大进步，但原始创新能力还相对薄弱。原始创新仍然需要要拿出大无畏的勇气，敢于坐冷板凳，敢于默默无闻的在“无人区”探索，于创新技术的“无人区”砥砺前行。

响应党中央的号召，赢纳材料科技（镇江）有限公司的首席专家赵社涛，带领团队经过二十多年的实践和沉淀，在国际上率先发明了以甲醇、煤炭为原料，低成本生产碳纳米管，同时产生大量低碳氢气的技术路线，并且对该原始创新技术申请了多项专利进行了知识产权保护。赢纳材料公司，已经从催化剂、反应器、工艺路线、生产线设计等多角度，申请了十多项专利，截至2026年已经有多项专利陆续获批，部分专利涵盖美、日、德等化工强国。

以甲醇为原料生产碳纳米管的技术，其原理简述为：甲醇经过预热汽化催化分解为烃类的混合气体与杂质成分，进一步脱除对生产碳纳米管反应有害的杂质成分，然后进入大型碳纳米管反应器，生产出碳纳米管。

（图3，甲醇为原料生产的高质量碳纳米管样品TEM，赵社涛摄于2025年5月12日）

（图4，室内小试实验装置，甲醇制备低碳氢气+碳纳米管的原型测试装置，2025年5月，来源：赵社涛）

上述过程，同时能产出大量的低碳的氢气。因为生产过程的C元素都以高价值的固态碳产物碳纳米管的形式沉积下来了，所以整个过程几乎不排放CO2，是一个低碳的制氢过程。

传统的甲醇水蒸气重整制氢过程，反应如下：CH3OH+H2O→CO2+3H2

这是个吸热反应，高温高压条件进行反应，反应压力是0.8-2.7MPa。甲醇水蒸气重整工艺中，产气的主要成分是H2和CO2，比例约为3:1。理想条件下，在1kg甲醇可以产出约3.5m3氢气，同时伴有大量二氧化碳产生。

以甲醇为原料生产碳纳米管同时产生大量低碳氢气，是对传统甲醇水蒸气重整制造氢气过程的颠覆，既把甲醇里的碳元素转化成了高附加值的碳纳米管，同时把甲醇里的氢元素转化成了低碳的H2气，一举两得，既符合了低碳化的时代要求，也符合高附加值化的时代要求。

在碳纳米管生产领域，传统技术最常用的原料是聚合级的纯乙烯或聚合级纯丙烯。而生产这种高纯度的原料，目前主要有石脑油蒸汽裂解工艺、MTO或MTP甲醇制烯烃工艺，这些工艺需要复杂的分离工艺和昂贵的分离装置（例如深冷分离工艺），尤其是分离微量的杂质，以聚合级丙烯为例，国标GB/T 7716-2014中，对各种杂质的规定基本都是几个至几十个ppm级别，导致生产聚合级的纯乙烯或纯丙烯的设备投资和运行成本都非常高，这也就导致碳纳米管的生产成本也很高。

以甲醇为原料生产碳纳米管，具有以下卓越的优点：

①中国是甲醇的生产大国，2025年中国国内甲醇产量达1.02亿吨，全球占比超过57%，甲醇来源非常广泛，降低了对碳纳米管生产原料的购买和使用要求。乙烯和丙烯是国家严格监管的特种化学原料，其购买和使用区域有严格的资质要求；同时也降低了建设碳纳米管生产工厂的难度，不需要建在国家指定的少数化工园区；

②甲醇常温下是液体，常压储罐储存即可，储罐的管理要求也低，降低了原料的运输和储存成本；乙烯、丙烯是低温液体，需要特殊的带压力的储罐、储槽；

③聚合级乙烯和丙烯需要少数具有特种资质的中间商去大型石化厂用槽车或小型储罐分装，分装和长距离零散运输的过程，既大幅度提高了乙烯、丙烯的原料价格，也增加了多个分销环节，增加了更多的不安全因素，不利于碳纳米管生产过程的本质安全性。

④聚合级乙烯或丙烯的生产，为了分离出原料里的微量杂质，需要复杂的分离设备和制冷剂，需要昂贵的多个精馏塔以及反复多次的加压等流程，需要复杂的制冷、压缩、换热等工艺；

赢纳材料的新发明以工业级的甲醇为原料，价格低廉，直接生产碳纳米管，大大降低设备投资和运行成本，和碳纳米管的生产成本。

⑤把低价值的甲醇转换成高附加值碳纳米管的同时，能产生大量低碳的氢气，克服了传统的甲醇水蒸气重整制氢的弊端，颠覆了经典化工工艺。

此外，赢纳材料公司还创新研发了以煤为原料生产碳纳米管的技术路线。煤炭制甲醇，是成熟且传统的化工生产技术，结合甲醇生产碳纳米管的技术，煤炭制碳纳米管的技术也是合理可行的。同时，甲醇生产碳纳米管的同时，会产生大量的氢气。把上述氢气，再输入煤制合成气单元和/或合成气转化单元的前端，调整H2与CO的比例，就能避免使用CO与水蒸气生成H2和CO2的反应来调节H2/CO比。这就能大幅度减少C元素的损失，减少煤炭的消耗量，显著减少CO2排放，提高生产过程的环保性。其优点在于：

（1）以煤炭为原料生产碳纳米管，避免使用昂贵而且高纯度的聚合级乙烯、聚合级丙烯，从而大大降低了碳纳米管的生产成本。

（2）传统上生产碳纳米管需要使用聚合级的聚乙烯和聚丙烯，聚乙烯和聚丙烯是特种化工原料，只能在国家指定的少数大型石化园区才能大量的使用；按国家安全生产规范《危险化学品重大危险源辨识(GB18218-2018)》的规定，储存50吨聚乙烯、聚丙烯，就算重大危险源，需要很高的安全防护等级。此外，聚合级的聚乙烯和聚丙烯原料，运输上需要特种车辆，运输成本很高，运输安全风险也很高，储存的安全要求也很高。

煤炭在全国各地都有原料，以含碳物质为原料生产碳纳米管和氢气，就可以不受特殊安全规范管制的制约，全国各地建厂，也降低了原料运输成本，进而进一步降低了碳纳米管的生产成本，煤炭的储存、使用，都简单很多。

（3）碳纳米管生产设备产生的氢气，通过氢气管道返回变换炉，即返回合成气的生产过程，用于调节H2/CO比，减少使用CO与水蒸气生成H2和CO2的反应来调节H2/CO比，减少C元素的损失，也就是减少了煤炭原料的无效损耗，也就是降低了生产过程煤炭的消耗量。

（4）碳纳米管生产设备产生的氢气，通过氢气管道返回变换炉，即返回合成气的生产过程，用于调节H2/CO比，大大减少了CO2产生的量，也就是生产过程向大气环境中CO2的排放量大大减少了，生产过程更低碳更环保，满足工信委审批实施节能降碳及绿色化工项目的要求。

（5）碳纳米管生产过程产生的氢气，通过氢气管道返回变换炉，减少CO与水蒸气反应的设备设施，进而减少变换炉设备和净化设备的需求量和尺寸，减少大量设备投资。其工艺流程简图，为图5或图6，如下：

（图5 工艺流程简图）

（图6 工艺流程简图）

1-气体分离设备，2-气化炉，3-变换炉，4-排气口一，5-排气口二，6-排气口三，7-排气口四，8-氢气管道，9-净化设备，10-合成气反应器，11-催化分解反应器，12-冷却设备一，13-水洗设备，14-干燥设备二，15-冷却设备二，16-碳纳米管生产设备，17-除尘设备，18-排渣口

在反应器的大型化方面，赢纳材料公司与遵义市聚源新材料有限公司通力合作，经过两年的科技攻关，2024年底终于攻克单台反应器年产千吨级碳纳米管的大型化技术，建立了第三代碳纳米管工厂。并以产学研合作的形式，输出给贵州省遵义市聚源新材料科技公司，建立起了碳纳米管生产的第三代示范生产工厂。碳纳米管第三代工厂，单台反应器可以实现年产1000吨碳纳米管粉体，单台反应器的产能是第二代工厂单台流化床反应器产能的3-10倍。例如，新建一个年产10000吨碳纳米管粉体的工厂，原来需要50台反应器，使用赢纳材料公司的新技术、新设备，只需要10台反应器就可以实现，从而大大节约了固定资产投资。单台反应器的大型化，具有很强的规模生产效应，有效降低了碳纳米管的生产成本，提升了工厂的生产利润率。单台反应器的大型化，还降低生产线的管理难度和相关人员的数量，节约了工厂的人力资源成本。单台反应器的大型化，也更有利于碳纳米管成品的稳定，促使产品质量和性能一致性比较好。

（图7，单台反应器年产1000吨碳纳米管粉体生产工厂的局部，照片来源：赢纳材料）

通过查询国内外的资料和报道，赢纳材料公司的单台年产千吨级碳纳米管的反应器，属于重大技术科技创新成果。这不是停留在技术路线研究或者PPT上的反应器，而是实际建成的生产装置，且在工厂经过了几个月的连续运行测试考核，在全世界也属于技术先进的单台碳纳米管反应器。单台年产千吨级碳纳米管的反应器，突破了现有第二代工厂流化床反应器的理论和技术瓶颈，开创了碳纳米管大规模生产的新时代。

第三代碳纳米管工厂，结合了固定床和流化床设备的各自优势，克服了固定床和流化床的固有缺陷，从而实现长周期的连续运转和设备大型化。此外，第三代大型化的碳纳米管工厂生产线，优化催化剂配方和制备工艺，在此大型设备上实现多种规格碳纳米管的生产。产物堆密度0.05-0.15g/ml，易分散，催化剂倍率20-50倍之间可以调节，根据不同用途可以生产通用碳纳米管、陈列碳纳米管、薄壁碳纳米管等。生产过程简易、高效，绿色环保，解决了高质量碳纳米管大批量生产的反应器核心瓶颈和成本问题，从而率先突破了碳纳米管的超大批量生产难题，这也为更大规模碳纳米管反应器的设计奠定了基础。

甲醇/煤制碳纳米管+低碳氢气的原始创新技术，结合千吨级的大型化反应器技术，就为从低成本的煤炭/甲醇为原料，大规模、低成本的生产碳纳米管和低碳氢气，打通了全产业链的“任督”二脉。

众所周知，我国具有“富煤、贫油、少气”的能源资源禀赋，及现有能源和基础工业结构中以煤为主的现实国情，我国能源结构绿色低碳转型面临巨大的挑战。同时，传统的煤化工产业，相对落后，大宗的煤化工及下游产品盈利能力差。

国内煤化工产业，迫切需要持续提升煤化工工艺技术和装备水平，推动煤化工及其下游相关产业向高端化、多元化、低碳化发展。发展以煤制油、煤制气、煤基烯烃等为代表的现代煤化工产业，实现煤炭利用方式从“以燃料为主”向“以化工原料为主”的转变，使“一块煤”裂变成“一滴油”“一块布”“一根丝”，既是促进能源高效利用的重要途径，也是推动国民经济增长、占据全球产业链高端的重要抓手。

国家在“十五五”规划纲要草案提出，加强原始创新和关键核心技术攻关。赢纳材料公司的创新技术发明，是于“无人区”艰苦奋斗二十年，产生的原始创新和累累硕果。正好响应了党中央和国家的号召，在煤化工产业、甲醇化工产业的高端化、高附加值化、绿色化方面，进行了具体的实践。以甲醇/煤为产业的源头，从催化剂、大型化反应器、工艺路线、生产方法、生产设备布置等全产业链的自有知识产权和自主可控，做好了技术储备，也正好解决了碳纳米管大吨位、超低成本生产的世界难题。碳纳米管粉体价格问题的解决，会催生碳纳米管下游产业应用的大门井喷式的打开，形成众多下游应用产业。

随着碳纳米管生产原料，从昂贵、生产要求高、投资巨大、且制约条件较多的乙烯/丙烯，替代为煤炭/甲醇原料，碳纳米管的生产成本会指数级的下降。全世界每年生产上千万吨炭黑、石墨、活性炭等传统碳材料，并随之衍生出万亿级的下游应用市场。众所众知，碳纳米管比炭黑、石墨、活性炭等传统碳材料的性能更优异，综合性能更全面，会占领传统材料市场，开创衍生出万亿级的下游市场。

赢纳材料科技公司的这一技术突破，改变了全球碳纳米管产业的“游戏规则”。结合中国的国情和资源禀赋，把碳纳米管这一高端新材料产业的饭碗，牢牢的握在了中国人的手里，且具有知识产权优势、生产成本优势和生产规模优势。在此技术突破的基础上，结合下游应用的不断开拓和丰富，必将在世界范围内，诞生出世界级的中国碳纳米管生产企业和万亿级的产业应用集群，为中国的新材料产业和煤化工产业的高端化，做出贡献。

赵社涛

赢纳材料科技（镇江）有限公司总经理和首席专家，长期从事化工新材料研究与技术开发，组织开发碳纳米管的大型工业化生产和应用，低成本低碳氢气的生产。

2024年与遵义市聚源新材料有限公司合作，全球率先完成了单台反应器实际年产千吨级碳纳米管技术工业性试验及工业化连续生产，提升了中国在碳纳米管大型化生产领域国际领先地位；

2026年全球首创甲醇/煤制碳纳米管技术和甲醇制低碳氢气技术。