单壁碳纳米管制备新突破：金属催化剂的秘密
单壁碳纳米管制备新突破：金属催化剂的秘密
2017年，北京大学化学与分子工程学院张锦教授团队在《Nature》杂志发表重要研究成果，通过设计具有特定对称性的金属催化剂，实现了对手性单壁碳纳米管的高选择性生长。这一突破为单壁碳纳米管的规模化生产和实际应用奠定了重要基础。
金属催化剂的关键作用
单壁碳纳米管（SWNTs）因其优异的力学、电学和热学性能，被认为是未来最有潜力替代硅用于下一代集成电路芯片的候选材料之一。然而，要实现这一应用，需要能够可靠地制备具有相同结构的碳纳米管阵列，而金属催化剂在这一过程中起着决定性作用。
研究发现，催化剂的组成、结构状态以及催化剂与碳纳米管间的表面能大小会影响SWNTs的成核效率。而反应温度及气相环境等因素则影响其生长速度。张锦团队通过精心设计催化剂的对称性，成功引导了特定手性碳纳米管的生长。
创新性的对称性匹配策略
张锦团队开发了一种基于碳纳米管与催化剂对称性匹配的外延生长方法。他们使用碳化钨（WC）作为催化剂，因为其四重对称性与特定手性碳纳米管的对称性相匹配，从而降低了碳纳米管的形成能，有利于其高选择性生长。
通过热力学控制和动力学控制的双重作用，研究团队实现了结构为手性指数（2m, m）类碳纳米管阵列的富集生长。具体来说，他们首先通过高温退火和还原过程制备了尺寸均匀的Mo纳米颗粒，然后将其转化为同样尺度均匀的碳化钼（Mo2C）催化剂。
突破性的实验成果
在优化的生长条件下，张锦团队成功制备了纯度高达90%、结构为手性指数(12, 6)的金属性碳纳米管水平阵列，平均密度大于20根/微米。同时，使用碳化钨做催化剂，还制备了结构为手性指数(8, 4)的半导体性碳纳米管水平阵列，其纯度可达80%，平均密度大于10根/微米。
与其他制备方法的比较
传统的碳纳米管制备方法主要包括电弧放电法、激光烧蚀法和化学气相沉积（CVD）法。其中，CVD法因成本低、效率高而成为主流技术。而张锦团队的创新之处在于通过催化剂设计实现了对手性碳纳米管的精确控制，这在传统方法中是难以实现的。
应用前景与展望
这一研究成果不仅展示了通过催化剂设计控制碳纳米管结构的可行性，更为重要的是为单壁碳纳米管在电子器件中的实际应用开辟了新途径。随着技术的进一步优化和规模化生产，单壁碳纳米管有望在高性能集成电路、传感器、复合材料等领域发挥重要作用。
张锦教授团队的这项研究得到了科技部和国家自然科学基金委等项目的资助，体现了国家对前沿科技研究的大力支持。这一突破性进展不仅展示了我国在纳米科技领域的创新能力，也为全球科技发展贡献了中国智慧。