單壁碳納米管獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)異的性質(zhì)，在諸多領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。單壁碳納米管的電學(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)，因此，制備特定結(jié)構(gòu)的單壁碳納米管對于科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用均具有重要的意義。金屬間化合物Co7W6催化劑具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，可作為結(jié)構(gòu)模板實(shí)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(xué)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(xué)氣相沉積法實(shí)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(dǎo)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(huì)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(dǎo)體性碳納米管的含量不同，只有當(dāng)甲烷和氫氣的流量分別為600 sccm和300 sccm時(shí)，所生長的單壁碳納米管的半導(dǎo)體選擇性最高，這表明合適的化學(xué)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(dǎo)體性碳納米管的含量統(tǒng)計(jì)圖。 此外，CoSi2催化劑的結(jié)構(gòu)會(huì)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(dāng)以甲烷作為碳源時(shí)，CoSi2催化劑的結(jié)構(gòu)在碳納米管的生長過程中幾乎未發(fā)生改變；而當(dāng)使用含氧碳源乙醇生長碳納米管后，CoSi2催化劑部分轉(zhuǎn)換為Co2SiO4。Co2SiO4在高溫時(shí)會(huì)被還原為單質(zhì)Co納米顆粒，高催化活性的單金屬催化劑則會(huì)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(jìn)一步證明了金屬間化合物獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)是實(shí)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(shí)，CoSi2催化劑生長碳納米管結(jié)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(xué)博士研究生劉啟東 ChemNanoMat DOI: 10.1002/cnma.202200037
