超顺排碳纳米管表面半导体纳米颗粒的功能化自组装

The sp2 lattice structure of the carbon nanotubes (CNTs) and their natural curvature effect have enabled them as new-type substrates for functional self-assembly of traditional semiconducting nanoparticles, such as ZnO. Our previous work has already demonstrated that the super aligned and free-standing CNT film could induce the self-assembly of ZnO nanoparticles, allowing the self-assembly of these nanoparticles into super aligned structure and functionalization of the CNT with the band-tunable luminescence and better photocatalytic performance than titania nano-powder (P25). In this proposal, we focus on three main issues on the approach to controllable self-assembly, the defect formation during the assembly, and the interface between ZnO nanoparticles and CNTs. It is expected that solving these issues can help to realize the tunable function of semiconducting nanoparticles assembled on CNT surface, ZnO nanoparticles, for instance. We believe that the super aligned CNT film serves as a new type substrate to induce the self-assembly of semiconducting nanoparticles on it and then functionalized, which exhibits multi-function performance. The study on the synthesis of semiconducting nanomaterials with multiple properties will provide both the technical and multifunctional materials supports for developing nanodevices in future.

本项目旨在利用碳纳米管表面sp2 结构及其天然的表面曲率等特性来控制以氧化锌（ZnO）为代表的半导体纳米颗粒在其表面的功能化自组装。前期工作表明，具有较高取向度的自支撑碳纳米管表面可诱导ZnO纳米颗粒自组装，并使之形成超顺排纳米半导体自组装结构，呈现出具有波段可调的光致发光、优于二氧化钛纳米粉体（P25）的光催化性能等多功能化特征。本项目需要解决可控自组装方法问题，弄清自组装过程中缺陷形成过程，以及ZnO纳米颗粒与碳管之间界面问题。希望通过解决这些问题来达到碳纳米管表面自组装的半导体纳米颗粒（如ZnO纳米颗粒）功能可调的目的。我们认为利用超顺排碳纳米管薄膜作为新型衬底材料，通过碳纳米管表面诱导作用促使半导体纳米颗粒自组装形成多功能薄膜，能够开发新型取向半导体纳米结构的多功能特性，为多功能纳米器件的研发提供新材料和技术基础。

项目组依照研究计划开展了本项目的研究，着重以碳纳米管作为模板，并考察同样具有sp2结构特性的新型类石墨烯高分子，在这些材料的表面通过不同手段沉积金属氧化物纳米颗粒，探索杂化/复合结构的多功能特性，并发展了取向碳纳米管组装结构材料。项目组主要取得了以下重要结果：一、利用取向碳纳米管作为模板，通过原子层沉积技术制备了碳纳米管/氧化铝杂化薄膜材料，氧化铝丰富的无定型结构赋予了材料在200至800纳米范围内线性的吸波特性；二、利用具有丰富官能团的类石墨烯二维高分子作为模板，水热沉积了氧化钴纳米颗粒，实现了对纳米颗粒的尺寸和维度的调控，得到了电化学活动显著增强的新型复合电极材料；三、发展了基于取向碳纳米管的一系列力学结构材料，实现了材料强度高于3.5 GPa；四、利用三维的碳纳米管网络结构作为模板，沉积了氧化钴纳米颗粒，得到了性能优异的新型锌-空电池；五、在制备氧化锌三维组装结构材料的研究中，得到了一种新型的氯水锌矿气凝胶，可体现出优异的蓝色荧光特性，并研究了其组装机理。以上研究为进一步发展新型纳米碳/无机杂化结构提供了新的研究思路，也为发展新型的光学功能器件提供了新机理。