[发明专利]一种通过基底设计可控生长金属性单壁碳纳米管的方法

说明书

本发明涉及金属性单壁碳纳米管的可控制备领域，具体为一种通过基底设计可控生长金属性单壁碳纳米管的方法。以尖晶石为基底，采用嵌段共聚物自组装方法制备尺寸均一的金属氧化物纳米团簇；利用尖晶石基底对催化剂纳米颗粒的固溶和钉扎作用调控其尺寸、结构和高温稳定性，结合尖晶石基底对不同导电属性单壁碳纳米管的生长速率的影响，实现选择性生长金属性单壁碳纳米管。所制备金属性单壁碳纳米管的直径为1.1±0.2nm、含量为75～85％。本发明通过基底设计和选择，实现了窄直径分布金属性单壁碳纳米管的直接可控生长，为推动金属性单壁碳纳米管的应用奠定了材料基础。

技术领域

本发明涉及金属性单壁碳纳米管的可控制备领域，具体为一种通过基底设计可控生长金属性单壁碳纳米管的方法。

背景技术

单壁碳纳米管因其手性角和直径的不同可表现为金属性或半导体性。金属性单壁碳纳米管具有量子输运效应，可用于未来纳电子器件的柔性电极材料和互联导线。然而，通常制备的单壁碳纳米管样品是金属性和半导体性碳管的混合物。如何获得高纯度金属性单壁碳纳米管是推动其实际应用的关键。金属性单壁碳纳米管在通常样品中的含量仅为约1/3，且其化学活性高于半导体性单壁碳纳米管，因而选择性制备金属性单壁碳纳米管的难度更大。目前，选择性制备金属性单壁碳纳米管的代表性工作如下：(1)控制形核时催化剂表面形貌来择优生长金属性单壁碳纳米管(文献一：Harutyunyan A.R.；Cheng,G.,Sumanasekera,G.U.et.al.Science,2009,326,116)；(2)氢气选择性刻蚀剂小直径半导体性碳纳米管，制备金属性富集单壁碳纳米管(文献二：Hou,P.X.；Li,W.S.；Liu C.et al.ACSNano 2013,8,7156)；(3)通过控制催化剂的特定晶面与单壁碳纳米管的结构相匹配，生长金属性碳纳米管(文献三：Yang,F.；Wang,X.；Li,Y.et al.Nature 2014,510,7506)；(4)通过控制催化剂与碳纳米管对称性匹配，制备金属性碳纳米管(文献四：Zhang,S.C.；Kang,L.X.；Zhang,J.et al.Nature 2017,543,7644)。(5)控制高熔点非金属氧化物催化剂纳米颗粒的尺寸和氧含量，实现窄直径分布、金属性单壁碳纳米管的直接生长(文献五：Zhang,L.L.；Sun,D.M.；Liu,C.et al.Advanced Materials,2017,29,32)。

然而，目前制备金属性单壁碳纳米管仍存在很多问题：(1)催化剂在与其较小相互作用的硅基底表面，存在高温热稳定性差的问题，而导致碳纳米管直径均一性较差；(2)催化剂的晶面结构和对称性调控难度较大，导致重复性差；(3)可控生长金属性单壁碳纳米管的机理仍不清晰；(4)基底直接影响碳纳米管生长的热力学和动力学因素不明确。

所以，目前面临的主要问题是：如何在理解可控生长机理的基础上，扩大金属性与半导体性单壁碳纳米管形核与生长的差异，发展一种简便、可控生长窄直径分布、金属性单壁碳纳米管的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种简便、可控的通过基底设计可控生长金属性单壁碳纳米管的方法,通过基底设计和选择，实现了窄直径分布金属性单壁碳纳米管的直接可控生长，为推动金属性单壁碳纳米管的应用奠定了材料基础。

本发明的技术方案是：

一种通过基底设计可控生长金属性单壁碳纳米管的方法，选用在高温产生晶格热振动和以声子为主要导热方式的镁铝尖晶石单晶为基底，利用该基底与催化剂的强相互作用，控制催化剂尺寸、结构和高温稳定性；利用基底在高温下的晶格热振动引起的能量起伏，调控碳纳米管生长所需的能量供给，实现金属性单壁碳纳米管和半导体性单壁碳纳米管生长速率差异的最大化，选择性生长金属性单壁碳纳米管。

所述的通过基底设计可控生长金属性单壁碳纳米管的方法，基底需要分别在氧化和还原气氛中热处理，提高其结晶度，获得适合碳纳米管生长的原子台阶；对基底进行氧等离子体处理，提高催化剂前驱体溶液与基底表面的润湿性。