具有窄手性甚至单手性的高密度单壁碳纳米管（SWNT）阵列是碳纳米管控制生长的终极目标。在碳纳米管生长中分别控制密度和手性的尝试已经被深入探究。例如，为了提高SWNTs阵列密度，目前已开发了多次循环负载催化剂、催化剂再活化以及碳源设计等方法；为了实现SWNTs的手性控制，广泛接受和最有效的方法是设计固体催化剂，这些策略虽然有效，但往往只解决了密度和手性的一个方面。因此，如何兼顾SWNTs阵列的密度控制与手性控制是该领域的重要科学问题。

近期温州大学胡悦特聘教授团队联合北京大学张树辰博士及广东工业大学黄少铭教授在可控制备高密度手性SWNTs方面取得了新的进展，开发了一种简单且新颖的“高温裂解，低温生长”策略以制备具手性选择性的高密度SWNTs阵列，为高密度单壁纳米管的手性可控生长提供了一种全新的思路。该工作基于固体“特洛伊”催化剂，利用低温生长过程，共同实现了SWNTs的高密度和手性控制生长。“特洛伊”催化剂形成的高温过程提供了足够数量的催化剂以获得高密度，通过低温生长（~540°C），将液态“特洛伊”催化剂冷却至固态，暴露出具有六重对称的（111）晶面可以作为很好的模板，诱导实现SWNTs的手性控制生长。最后，通过拉曼光谱、原位透射电子显微镜、电子衍射等表征，证明所获得的高密度阵列实现了（9，6）和（13，1）SWNTs的富集，其纯度约为90%，密度为4 SWNTs/μm。该工作为SWNTs控制生长领域中催化剂的设计和手性选择开辟了一条新的道路。

图1. 利用固体“特洛伊”催化剂在低温下生长高密度手性SWNTs的示意图。

图2. （a）540°C下Fe催化剂的原位HRTEM图，显示了清晰的晶格条纹，表明其为固态且结晶良好。插图是相应的FFT衍射图，黄色圆圈标记的衍射点来自于Fe的（111）面。（b）850°C下直接获得的密度为10/μm²的液体“特洛伊”催化剂的AFM图。（C）在540°C下稳定数分钟的固体“特洛伊”催化剂的AFM图，固体“特洛伊”催化剂的获得是由850°C下获得的液体“特洛伊”催化剂转化而来，密度约为12/μm²。（d）利用液体“特洛伊”催化剂在850°C下直接生长的SWNTs的扫描电子显微镜（SEM）图。（e）利用固体“特洛伊”催化剂在540°C下直接生长的得到的SWNTs的SEM图。（f）利用固体“特洛伊”催化剂在540°C下直接生长得到的SWNTs的SEM图。 

图3. （a）利用固体“特洛伊”催化剂在540°C下生长得到的SWNTs的AFM图（顶部）及其直径分布图（底部）。（b）532nm激发波长下蓝宝石衬底上生长的SWNTs的拉曼光谱表征。插图为540°C下生长的单根SWNT的TEM图。（c）在540°C下获得的SWNTs的多波长（488nm、532nm、633nm和785nm）拉曼光谱表征。（d）单根（9、6）管的电子衍射图（EDP）。（e）单根（13，1）管的电子衍射图（EDP）。（f）利用固体“特洛伊”催化剂在540°C下生长得到的SWNTs的手性物种含量相对丰度图。

图4. （a）利用液体“特洛伊”催化剂在970°C下生长的SWNTs在不同激发波长下（488nm、532nm、633nm和785nm）的拉曼表征图。（b）利用液体“特洛伊”催化剂在970°C下生长的SWNTs的AFM图（顶部）和催化剂尺寸分布图。（c）催化剂在生长SWNTs前后的粒径变化与温度的关系图，表明催化剂在低温下为固体，在高温下为液体。（d）利用“特洛伊”催化剂生长的SWNTs的直径分布与温度的关系图，低温下为垂直生长模式，高温下为切线生长模式。（e）手性种类与温度变化关系图。尤其是在540°C时，手性种类的演变表明SWNTs手性高度富集。（f）位错引发的热力学成核和动力学生长导致（13，1）和（9，6）SWNTs在540°C下使用固体“特洛伊”催化剂优先生长。

这一成果近期以“En Route to High-Density Chiral Single-walled Carbon Nanotube Arrays using Solid Trojan Catalysts”为题发表在国际期刊《Small》上，温州大学为第一通讯单位，温州大学化学与材料工程学院研究生刘大燕为文章的第一作者，温州大学胡悦特聘教授、北京大学张树辰博士、广东工业大学黄少铭教授为通讯作者。

【文章链接】

https://doi.org/10.1002/smll.202205540