作者:张锦等 来源:《国家科学评论》 发布时间:2017/11/13 13:35:24
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展望:单壁碳纳米管的手性可控制备发展路线

 

单壁碳纳米管可看作是由单层石墨烯沿一定方向卷曲而成的空心圆柱体,根据卷曲方式(通常称为“手性”)的不同,可以体现金属性或带隙不同的半导体性。1993年,日本物理学家Sumio Iijima教授等在透射电子显微镜下首次观察到了单壁碳纳米管。单壁碳纳米管具有优异的电子、机械、力学等性能,尤其是对电子和空穴都具有超高的迁移率,因此,国际半导体路线图委员会2009年确定其为未来最有可能应用的新型器件材料,催生了单壁碳纳米管在物理、化学、材料、生物等多个领域的应用研究和功能展示。尽管如此,实现结构的可控制备是单壁碳纳米管走向应用的基础和关键,然而,经过二十余年的努力,尚未有实际的解决方案,这已经成为碳纳米管研究和应用发展的瓶颈。

基于单壁碳纳米管的手性可控制备现状,北京大学化学与分子工程学院张锦教授课题组对未来单壁碳纳米管手性富集的可能种类以及发展方向进行了展望,近期以“The Road to Chirality-Specific Growth of Single-Walled Carbon Nanotubes”为题发表于《国家科学评论》(National Science Review, 2017, https://doi.org/10.1093/nsr/nwx080)。

文章指出,在化学气相沉积系统中,选择性制备单壁碳纳米管的关键仍为催化剂,催化剂的状态严重影响着单壁碳纳米管的种类。早期所使用的低熔点催化剂在高温下呈现不稳定的液体状态,碳纳米管的生长机理符合“气-液-固”(VLS)机理,这导致不同类型碳纳米管端口与催化剂表面之间的结合在热力学上没有显著差异,难以实现碳管生长的选择性。因此提高催化剂的稳定性在热力学上对于碳纳米管的成核过程是极为有利的。固体催化剂的提出和发展为单壁碳纳米管的手性制备打开了一个崭新的思路,碳纳米管的生长机理转变为“气-固”(VS)机理,其成核受到固体催化剂特定晶面的影响,碳原子与催化剂晶面原子键合而稳定存在,因而催化剂晶面原子的特定排布能够对应到碳纳米管边缘的周期性结构;基于此,文章提出了碳纳米管与催化剂晶面对称性匹配的热力学成核规则。此外,固体催化剂上碳纳米管的动力学生长速率与碳纳米管的手性角有关,理论计算表明,具有19.1o手性角的单壁碳纳米管具有最大的动力学生长速度,据此可以通过调控生长过程中的碳源浓度来实现碳纳米管的动力学调控。实际上,早期的低温生长粉体碳纳米管中富集近armchair管就是一种动力学调控的结果。结合碳纳米管的热力学成核规则和生长动力学调控,可以实现碳纳米管的手性富集生长。将来,碳纳米管手性富集的种类分布在近armchair管和手性角为19.1o的(2m, m)碳纳米管附近,这两类碳纳米管分别代表了固体催化剂上热力学主导和动力学主导调控的两个思路。

作者强调,尽管目前有一些理论可以用来解释和预测单壁碳纳米管的手性富集,但是受目前原位原子级分辨率表征手段的限制,更为明确的碳纳米管生长机理仍有待研究,因此,未来也需要发展更为精细、可靠的表征技术去深入探索碳纳米管的生长机理,碳纳米管的手性富集制备也需要对其热力学成核规则和动力学调控规律开展进一步探索,未来才有可能实现碳纳米管任意手性的高纯度富集。(来源:科学网)

 
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