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新聞動態(tài)
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單壁碳納米管的手性可控制備發(fā)展路線

作者:中國科學院成都有機化學有限公司 來源:http://m.chun-tian.cn 日期:2017-11-17 10:31:55


       單壁碳納米管可看作是由單層石墨烯沿一定方向卷曲而成的空心圓柱體,根據(jù)卷曲方式(通常稱為“手性”)的不同,可以體現(xiàn)金屬性或帶隙不同的半導體性。1993年,日本物理學家Sumio Iijima教授等在透射電子顯微鏡下首次觀察到了單壁碳納米管。單壁碳納米管具有優(yōu)異的電子、機械、力學等性能,尤其是對電子和空穴都具有超高的遷移率,因此,國際半導體路線圖委員會2009年確定其為未來最有可能應用的新型器件材料,催生了單壁碳納米管在物理、化學、材料、生物等多個領域的應用研究和功能展示。盡管如此,實現(xiàn)結構的可控制備是單壁碳納米管走向應用的基礎和關鍵,然而,經(jīng)過二十余年的努力,尚未有實際的解決方案,這已經(jīng)成為碳納米管研究和應用發(fā)展的瓶頸。

基于單壁碳納米管的手性可控制備現(xiàn)狀,技術人員對未來單壁碳納米管手性富集的可能種類以及發(fā)展方向進行了展望報道指出,在化學氣相沉積系統(tǒng)中,選擇性制備單壁碳納米管的關鍵仍為催化劑,催化劑的狀態(tài)嚴重影響著單壁碳納米管的種類。早期所使用的低熔點催化劑在高溫下呈現(xiàn)不穩(wěn)定的液體狀態(tài),碳納米管的生長機理符合“氣-液-固”(VLS)機理,這導致不同類型碳納米管端口與催化劑表面之間的結合在熱力學上沒有顯著差異,難以實現(xiàn)碳管生長的選擇性。因此提高催化劑的穩(wěn)定性在熱力學上對于碳納米管的成核過程是極為有利的。固體催化劑的提出和發(fā)展為單壁碳納米管的手性制備打開了一個嶄新的思路,碳納米管的生長機理轉變?yōu)?ldquo;氣-固”(VS)機理,其成核受到固體催化劑特定晶面的影響,碳原子與催化劑晶面原子鍵合而穩(wěn)定存在,因而催化劑晶面原子的特定排布能夠對應到碳納米管邊緣的周期性結構;基于此,文章提出了碳納米管與催化劑晶面對稱性匹配的熱力學成核規(guī)則。此外,固體催化劑上碳納米管的動力學生長速率與碳納米管的手性角有關,理論計算表明,具有19.1o手性角的單壁碳納米管具有最大的動力學生長速度,據(jù)此可以通過調(diào)控生長過程中的碳源濃度來實現(xiàn)碳納米管的動力學調(diào)控。實際上,早期的低溫生長粉體碳納米管中富集近armchair管就是一種動力學調(diào)控的結果。結合碳納米管的熱力學成核規(guī)則和生長動力學調(diào)控,可以實現(xiàn)碳納米管的手性富集生長。將來,碳納米管手性富集的種類分布在近armchair管和手性角為19.1o的(2m, m)碳納米管附近,這兩類碳納米管分別代表了固體催化劑上熱力學主導和動力學主導調(diào)控的兩個思路。

技術人員強調(diào),盡管目前有一些理論可以用來解釋和預測單壁碳納米管的手性富集,但是受目前原位原子級分辨率表征手段的限制,更為明確的碳納米管生長機理仍有待研究,因此,未來也需要發(fā)展更為精細、可靠的表征技術去深入探索碳納米管的生長機理,碳納米管的手性富集制備也需要對其熱力學成核規(guī)則和動力學調(diào)控規(guī)律開展進一步探索,未來才有可能實現(xiàn)碳納米管任意手性的高純度富集。

 

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