單壁碳納米管（SWCNTs）獨特的結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)異的性質(zhì)，在信息、能源、生物成像等諸多領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。SWCNTs的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)在很大程度上取決于其由一對手性指數(shù)（n，m）確定的結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體性SWCNTs的帶隙與直徑大致成反比。因此，制備特定結(jié)構(gòu)的SWCNTs具有重要的意義，這也是該領(lǐng)域面臨的巨大挑戰(zhàn)。在化學(xué)氣相沉積法生長SWCNTs的過程中，催化劑的尺寸會影響所生長的SWCNTs的直徑，因而制備尺寸均勻且分散良好的催化劑納米顆粒對于實現(xiàn)SWCNTs的可控生長至關(guān)重要。
近日，北京大學(xué)李彥課題組提出了一種以氧化石墨烯（GO）作為載體，簡單有效地制備碳納米管催化劑前驅(qū)體的方法，并實現(xiàn)了SWCNTs的可控生長。GO表面具有豐富的羥基、羧基等含氧基團(tuán)，可通過靜電或配位相互作用錨定Co2+，繼續(xù)加入WO42-即可在其表面形成分散良好、尺寸均一的CoWO4納米顆粒（圖1）。而無 GO時則會形成較大的、團(tuán)聚的CoWO4納米顆粒，這表明GO在制備尺寸均勻的納米粒子方面起著重要作用。
圖1 CoWO4/GO催化劑前驅(qū)體的TEM圖像、顆粒直徑統(tǒng)計和EDX能譜表征 將GO負(fù)載的CoWO4納米顆粒（CoWO4/GO）催化劑前驅(qū)體溶液旋涂于SiO2/Si基底表面，經(jīng)空氣退火、氫氣還原獲得的催化劑納米顆粒在基底表面分布均勻、尺寸分布窄（圖2a-b）。研究發(fā)現(xiàn)，前驅(qū)體中WO42-對于制備均勻的催化劑納米顆粒起到一定的作用。若在前驅(qū)體的制備過程中將Na2WO4替換為當(dāng)量的Na2CO3，可獲得CoCO3/GO催化劑前驅(qū)體，經(jīng)相同的處理獲得的納米顆粒則尺寸分布較寬（圖2c-d）。CoWO4/GO催化劑前驅(qū)體經(jīng)預(yù)處理后獲得的催化劑由Co7W6、Co和W組成（圖3）。 圖2 催化劑前驅(qū)體經(jīng)氧化、還原后獲得的催化劑納米顆粒的AFM表征及尺寸統(tǒng)計 圖3 催化劑的XRD和XAFS表征 Co7W6催化劑具有較高的熔點和獨特的原子排列方式，可通過結(jié)構(gòu)匹配實現(xiàn)SWCNTs的高手性選擇性生長。另外，W可分散并穩(wěn)定單質(zhì)Co，使其在高溫不易發(fā)生聚集。通過系統(tǒng)優(yōu)化化學(xué)氣相沉積條件，在最優(yōu)的條件下可在SiO2/Si基底表面生長得到密集的SWCNTs（圖4），其直徑分布窄（1.74 ± 0.18 nm），半導(dǎo)體管含量約為90%（圖5）。 圖4 在優(yōu)化條件下生長的SWCNTs的SEM和TEM圖像 圖5 SWCNTs的拉曼光譜和直徑統(tǒng)計 這項工作不僅表明GO可以作為制備尺寸均一的納米粒子的優(yōu)良載體，而且提出了一種簡單有效的策略實現(xiàn)SWCNTs在平整基底上的直徑選擇性生長。這對于發(fā)展SWCNTs的催化劑前驅(qū)體制備方法和SWCNTs的可控生長研究具有重要意義。 Graphene oxide-supported cobalt tungstate as catalyst precursor for selective growth of single-walled carbon nanotubes Xue Zhao, Xiyan Liu, Feng Yang, Qidong Liu, Zeyao Zhang and Yan Li Inorg. Chem. Front., 2021, Advance Article https://doi.org/10.1039/D0QI01114B *文中圖片皆來源上述文章 此文章來自特別專輯 Celebrating 110th Anniversary of Chemistry at Peking University 通訊作者簡介 李彥 教授 北京大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院 李彥，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授。1993年獲北京大學(xué)無機化學(xué)博士學(xué)位。1999年至2001年任美國杜克大學(xué)訪問副教授。自2002年起擔(dān)任北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授。李彥教授主要從事碳納米管的制備、修飾、表征和應(yīng)用的研究。曾獲國家杰出青年基金、教育部長江學(xué)者特聘教授、北京市高等學(xué)校教學(xué)名師、北京大學(xué)十佳教師、十佳導(dǎo)師、教育部科技成果獎自然科學(xué)一等獎（第一獲獎人）、中國分析測試學(xué)會科學(xué)技術(shù)獎一等獎（第一獲獎人）、全國優(yōu)秀科技工作者、中國化學(xué)會-贏創(chuàng)化學(xué)創(chuàng)新獎杰出科學(xué)家獎等榮譽。
