單壁碳納米管獨特的結構賦予其優(yōu)異的性質，在諸多領域有著巨大的應用前景。單壁碳納米管的電學和光學性質在很大程度上取決于其由一對手性指數(shù)（n，m）確定的結構，因此，制備特定結構的單壁碳納米管對于科學研究和實際應用均具有重要的意義。金屬間化合物Co7W6催化劑具有獨特的晶體結構，可作為結構模板實現(xiàn)單一手性碳納米管的選擇性生長，該方法為單壁碳納米管的手性可控生長提供了新思路。
近日，北京大學李彥教授等人以金屬間化合物硅化鈷（CoSi2）作為催化劑，采用化學氣相沉積法實現(xiàn)了單壁碳納米管的選擇性生長。以甲烷為碳源，在最優(yōu)條件下，CoSi2催化劑生長的(11, 7)碳納米管的含量為24%，半導體性碳納米管的含量為93%。與單金屬Co催化劑相比，金屬間化合物CoSi2對稱性更低，因而有利于選擇性生長單壁碳納米管。研究發(fā)現(xiàn)，氣體組分會影響樣品的選擇性，生長過程中通入不同的甲烷/氫氣比例所獲得半導體性碳納米管的含量不同，只有當甲烷和氫氣的流量分別為600 sccm和300 sccm時，所生長的單壁碳納米管的半導體選擇性最高，這表明合適的化學氣相沉積條件也是選擇性生長單壁碳納米管的重要因素。
圖1. (a) CoSi2金屬間化合物的單胞示意圖。(b, c) 以甲烷為碳源生長的單壁碳納米管的(b) SEM圖和(c) 拉曼光譜。拉曼光譜的激發(fā)波長為785 nm。(d) 不同氣體組分條件下生長的半導體性碳納米管的含量統(tǒng)計圖。 此外，CoSi2催化劑的結構會受碳源種類的影響。研究發(fā)現(xiàn)，若使用乙醇作為碳源，碳納米管的產(chǎn)量提高，但選擇性明顯下降。X射線光電子能譜顯示，當以甲烷作為碳源時，CoSi2催化劑的結構在碳納米管的生長過程中幾乎未發(fā)生改變；而當使用含氧碳源乙醇生長碳納米管后，CoSi2催化劑部分轉換為Co2SiO4。Co2SiO4在高溫時會被還原為單質Co納米顆粒，高催化活性的單金屬催化劑則會降低所生長碳納米管的選擇性。該工作不僅表明金屬間化合物CoSi2能夠作為催化劑選擇性生長單壁碳納米管，也進一步證明了金屬間化合物獨特的晶體結構是實現(xiàn)單壁碳納米管手性可控生長的重要因素。 圖2. 碳源為(a) 甲烷和(b) 乙醇時，CoSi2催化劑生長碳納米管結束后Co元素的X射線光電子能譜。 論文信息： Selective growth of single-walled carbon nanotubes using cobalt disilicide. Qidong Liu, Feng Yang, Yan Zhang, Xue Zhao, Zeyao Zhang, Sheng Zhu, and Prof. Yan Li 文章第一作者為北京大學博士研究生劉啟東 ChemNanoMat DOI: 10.1002/cnma.202200037
