催化裂解制备超细单壁碳纳米管及光学性能研究

随着单壁碳纳米管的直径变小，强烈的曲面效应会将会引起σ* 和 π* 轨道的杂化，提高电子－声子耦合，导致新的光学和电学性能的出现。同时，由于系统能量的增加，单壁碳纳米管变得不稳定。利用AlPO4-11晶体为模板真空中高温热解处于亚纳米孔道中的有机碳源分子是一种生长直径均一、定向排列0.3nm（2，2）单壁碳纳米管陈列的方法。但是，在真空高温裂解过程中，碳源分子获得动能，容易从孔道中逃逸出来，从而使在孔道中的碳纳米管的质量和密度降低，影响光学及导电参数等物理性能的测试。本课题拟在此基础上对AlPO4-11 晶格掺杂，引入质子酸位和带有负电的晶格结构，提高晶体孔道对有机碳源的吸附性，以及在裂解碳源时起到催化作用；利用紫外激光替代传统高温炉加热源，探索紫外激光催化裂解碳源的条件，深入研究提高（2，2）单壁碳纳米管质量和在孔道中的连续性，测量其对光的偏振吸收、和发光等光学性能。

通过优化晶体合成条件，包括晶化温度，晶化时间，硅铝摩尔比，有机模板剂DPA含量以及HF含量，成功合成了完美的掺Si的AlPO4-11 (SAPO-11)单晶（40 × 80 × 180 µm3）；为了在沸石晶体孔道中合成高密度的单臂碳纳米管，我们研究了在AlPO-11及SAPO-11各自晶体孔道中DPA模板剂的热分解情况。研究发现相比与中性晶体， SAPO-11晶体孔道对DPA存在更为强的化学作用。从而在碳化过程中，有更多的碳氢有机分子存在于SAPO-11晶体孔道中。在硅掺杂的沸石晶体孔道中，碳化后形成的碳管密度更高。研究了在SAPO-11单晶孔道中形成的（2,2）单臂碳管的偏振吸收光谱。明显的碳管吸收偏振性的存在揭示了偶极子沿着碳管方向有序排列。通过联系吸收光谱和第一性原理的理论计算，分别把2.22和2.74 eV吸收峰位置归结为（2,2）单壁碳管的金属性和半导体性。运用分子动力原理研究了掺入AlPO-11晶体一位椭圆孔道中碘的结构和动力学性质。模拟研究发现碘分子严格限制在AlPO-11晶体的（101）晶面并且只有两个取向，分别是沿着孔道方向和沿着椭圆的主轴方向，以上模拟结果与实验完全吻合。以二乙胺（DEA）为模板剂，通过两步温度法合成了大尺寸SAPO-47 沸石单晶。在一步温度法中，SAPO-5 沸石晶体是极易出现的杂晶相，而在两步温度法中初始温度160 °C条件下能够成功抑制SAPO-5晶核的出现从而合成纯的SAPO-47 沸石晶体。通过优化合成条件的各参数成功合成了完美的菱形六面体形貌的SAPO-47 大单晶（尺寸为230μm × 230μm）。通过物理扩散的方法成功将硒物质掺入到SAPO-47 沸石单晶笼中并对Se/CHA 进行偏振拉曼光谱和偏振光学吸收谱的检测。检测结果清晰的表明这些硒为硒的八元环结构（Se8）且是任意的嵌在SAPO-47单晶笼中。由于较小的笼的空间限制作用，Se8的光谱吸收峰发生了明显的蓝移现象。