非金属催化剂催化生长碳纳米管及其生长机理的研究

碳纳米管研究面临的一个重大挑战之一是对其结构（半导体/金属导体甚至是特定螺旋性）的控制，以及碳纳米管中残留的金属催化剂对其性能的影响和对其应用的干扰（特别是在纳电子器件和生物医药方面）。长期以来，铁族元素被认为是生长碳纳米管最有效的催化剂，碳纳米管生长机理大多是基于铁族催化剂的研究结果。本项目将系统地研究不同种类的非金属纳米粒子催化生长单壁碳纳米管的活性，通过对不同非金属纳米粒子在高温下的状态、结构及对不同小分子活化的研究，探索其催化生长碳纳米管的机理。同时，通过生长超长定向单壁碳纳米管阵列和光谱手段来分别鉴别单根碳纳米管的结构，从而获得催化剂种类、大小及生长条件和所生长的碳纳米管结构之间的关系。本研究不仅拓宽了催化生长碳纳米管的催化剂体系，重新认识催化剂的作用和发展生长碳纳米管理论，而且为实现碳纳米管螺旋性的控制提供了可能的途径，对推动碳纳米管研究领域的发展和应用具有重要的意义。

针对碳纳米管研究面临的结构（半导体/金属导体甚至是特定螺旋性）的控制，以及残留金属催化剂对其性能的影响等科学问题，系统地研究非金属纳米粒子的合成及在高温下状态、催化生长碳纳米管的活性和机理，以获得催化剂种类、大小及生长条件和所生长的碳纳米管结构之间的关系。主要工作及结果包括:. （1）通过三种不同的方法合成了非金属纳米粒子包括SiO2、TiO2、KCl、LiCl和NaCl等纳米粒子，并发现通过高温处理可以控制纳米粒子（NaCl和KCl）的大小。不同种类的无机非金属纳米粒子都具有催化生长碳纳米管活性。提出了“大小合适的纳米粒子都可能具有催化生长碳纳米管的活性”的观点和碳纳米管生长机理的观点。. （2）应用拉曼光谱对不同非金属催化剂和金属及合金生长的碳纳米管进行了表征。结果表明，高熔点的催化剂如SiO2， 金刚石、Pd等所催化生长的碳纳米管中约90%是半导体， 而相对低熔点的纳米粒子如LiCl、NaCl、KCl、金属Ag等催化生长的单壁碳纳米管，其半导体和金属性的比例基本符合自然生长分布（2/3和1/3）。提出了Modified VLS（M-VLS）机理。. （3）用Raman跟踪三种不同熔点催化剂 （KCl、Ag、 和金刚石）催化生长超长单壁碳纳米管结构随着生长时间变化，结果发现，KCl和Ag催化剂催化生长的碳纳米管的直径会随着生长时间的增加有变小的趋势，而金刚石则保持不变。. （4）纳米粒子的状态对碳纳米管生长模式有很大的影响。如果纳米粒子与基片的相互作用较弱则有利于以Top机理生长，在Fast-heating条件下得到定向碳纳米管阵列。. （5）利用有机POSS在有机溶剂中的可溶性，发展了一种直接光刻的方法对SiO2纳米粒子进行图形化或直接图形化金属再氧化形成催化剂纳米粒子，直接生长可以获得图形化的单壁碳纳米管，可用于器件的直接制作。. 本研究不仅拓宽了催化生长碳纳米管的催化剂体系，重新认识催化剂的作用和发展生长碳纳米管理论，而且为实现碳纳米管螺旋性的控制提供了可能的途径，对推动碳纳米管研究领域的发展和应用具有重要的意义。. 项目开展以来（2012-15年）共发表论文 19篇. 培养硕士研究生6名。