ChemNanoMat：以硅化钴为催化剂选择性生长单壁碳纳米管

单壁碳纳米管独特的结构赋予其优异的性质，在诸多领域有着巨大的应用前景。单壁碳纳米管的电学和光学性质在很大程度上取决于其由一对手性指数（n，m）确定的结构，因此，制备特定结构的单壁碳纳米管对于科学研究和实际应用均具有重要的意义。金属间化合物Co₇W₆催化剂具有独特的晶体结构，可作为结构模板实现单一手性碳纳米管的选择性生长，该方法为单壁碳纳米管的手性可控生长提供了新思路。

近日，北京大学李彦教授等人以金属间化合物硅化钴（CoSi₂）作为催化剂，采用化学气相沉积法实现了单壁碳纳米管的选择性生长。以甲烷为碳源，在最优条件下，CoSi₂催化剂生长的(11, 7)碳纳米管的含量为24%，半导体性碳纳米管的含量为93%。与单金属Co催化剂相比，金属间化合物CoSi₂对称性更低，因而有利于选择性生长单壁碳纳米管。研究发现，气体组分会影响样品的选择性，生长过程中通入不同的甲烷/氢气比例所获得半导体性碳纳米管的含量不同，只有当甲烷和氢气的流量分别为600 sccm和300 sccm时，所生长的单壁碳纳米管的半导体选择性最高，这表明合适的化学气相沉积条件也是选择性生长单壁碳纳米管的重要因素。

图1. (a) CoSi₂金属间化合物的单胞示意图。(b, c) 以甲烷为碳源生长的单壁碳纳米管的(b) SEM图和(c) 拉曼光谱。拉曼光谱的激发波长为785 nm。(d) 不同气体组分条件下生长的半导体性碳纳米管的含量统计图。

此外，CoSi₂催化剂的结构会受碳源种类的影响。研究发现，若使用乙醇作为碳源，碳纳米管的产量提高，但选择性明显下降。X射线光电子能谱显示，当以甲烷作为碳源时，CoSi₂催化剂的结构在碳纳米管的生长过程中几乎未发生改变；而当使用含氧碳源乙醇生长碳纳米管后，CoSi₂催化剂部分转换为Co₂SiO₄。Co₂SiO₄在高温时会被还原为单质Co纳米颗粒，高催化活性的单金属催化剂则会降低所生长碳纳米管的选择性。该工作不仅表明金属间化合物CoSi₂能够作为催化剂选择性生长单壁碳纳米管，也进一步证明了金属间化合物独特的晶体结构是实现单壁碳纳米管手性可控生长的重要因素。

图2. 碳源为(a) 甲烷和(b) 乙醇时，CoSi₂催化剂生长碳纳米管结束后Co元素的X射线光电子能谱。

论文信息：

Selective growth of single-walled carbon nanotubes using cobalt disilicide.

Qidong Liu, Feng Yang, Yan Zhang, Xue Zhao, Zeyao Zhang, Sheng Zhu, and Prof. Yan Li

文章第一作者为北京大学博士研究生刘启东

ChemNanoMat

DOI: 10.1002/cnma.202200037

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