研究背景：

单壁碳纳米管因其独特的手性结构而具有优异的性能，特别是在电子器件领域，单一手性单壁碳纳米管可以真正实现100%的半导体碳纳米管富集、更窄的通道和更高的载流子迁移率来取代硅基材料。然而，由于结构上的相似性，在不牺牲碳纳米管的长度、缺陷和密度的前提下，准确控制碳纳米管的结构仍然具有挑战性，这阻碍了其在各个领域，特别是纳电子领域的广泛应用。

近日，温州大学胡悦特聘教授团队、中国科学技术大学张树辰特任教授团队和广东工业大学黄少铭教授团队在《Chemical Communications》期刊发表名为“Evolution of catalyst design for controlled synthesis of chiral single-walled carbon nanotubes”的综述。文章综述了近年来关于手性碳纳米管选择性生长的最新研究进展，突出了关键挑战和未来发展方向。重点探讨了生长单手性碳纳米管的三种建设性策略的最新发展及其内部联系，包括对结构不稳定的液体催化剂进行生长条件控制、采用稳定的固体催化剂设计以及预先合成具有明确形状的碳种子。此外，还深入探讨了这三种方法的优缺点。最后，为克服目前的障碍和促进今后的工作提出了可能的解决方案和方向。

图1. 实现手性控制生长的三种策略的总结。

主要内容：

1、结构不稳定的液体催化剂

催化剂在碳纳米管生长的每个步骤（包括成核和持续伸长）中都起着至关重要的作用，并且始终位于碳管的开口端。因此，催化剂的状态和成分会对最终碳纳米管的结构产生重大影响。一般来说，催化剂的具体状态可通过比较催化剂的生长温度和熔点来确定，如果后者低于前者，则催化剂为液态，否则为固态。

在涉及液体催化剂的气-液-固（VLS）生长机制中，从低碳小分子中解离出来的碳原子最初会吸附在催化剂表面，然后进一步溶解在催化剂中，从而降低表面的碳原子浓度。同时，理论计算表明，碳扩散的驱动力是催化剂颗粒内的碳浓度梯度，这种梯度可以通过表面扩散、次表面扩散以及催化剂液态导致的体扩散来实现。在这些条件下，通过调整反应条件（如气氛和温度）可以实现一定程度的手性富集。

图2. 碳纳米管在液体催化剂上的气-液-固（VLS）生长机理示意图。

2、结构稳定的固体催化剂

与结构不稳定的液态催化剂不同，固态催化剂通常具有固定的晶体结构，具有明确的晶体面，这使其具有作为碳纳米管生长的外延模板的独特优势。如图3所示，碳纳米管在固态催化剂上的生长将遵循气-固-固（VSS）机制，即所有的碳组装步骤都只发生在催化剂表面。获得具有均匀尺寸和表面结构的固体催化剂可以潜在地促进特定手性碳纳米管的生长。目前，通过降低生长温度以及设计高熔点催化剂这两种方法可以确保催化剂处于固体状态，并在碳纳米管的生长中实现高手性选择性。

图3. 碳纳米管在固体催化剂上的生长机理示意图。

3、直接外延生长的碳种子设计

另一种“固态模板”，即碳种子，在制备手性碳纳米管方面比固态金属催化剂具有更明显的优势。碳种子似乎是碳纳米管最理想的外延生长模板，它可以保持一致的手性结构，提供精确的“晶体面”，并排除任何金属催化剂残基（图4）。目前，根据种子的来源或形成的方式，碳种子可以简单地分为两大类：单壁碳纳米管片段模板和预合成的有机碳物种模板。两者都已被证明在获得单手性碳纳米管方面是可行的，但前者需要与预筛选步骤相结合，这可能会增加额外的商业化成本。

图4. 利用碳种子克隆碳纳米管的机制。

表1. 制备手性富集碳纳米管的催化剂种类总结。

挑战与展望：

该领域虽取得了诸多进展，然而想要实现单手性碳纳米管的高效生长还存在很多问题需要解决。作者认为，对于以下几个方面需要重点关注：

1. 提高液态催化剂生长单手性碳纳米管的富集程度。控制气氛和设计更有利于垂直生长的催化剂是未来利用液态催化剂制备手性碳纳米管的关键。

2. 提高固态催化剂的生长效率。在保持固态催化剂的完整性的同时，加速碳源的分解或将垂直FCCVD法与固体催化剂结合起来进行手性生长从而提高手性碳纳米管的生长效率。

3. 对于碳种子催化剂，为了保证后续加工过程中不会被分解就需要对分子进行单独设计，使其具有特定的直径和稳定的结构；在制备手性碳纳米管方法方面，利用碳种子探索碳纳米管生长的热力学和动力学也很重要，从而指导开发新的生长方法，获得高手性选择性和高产率的碳纳米管水平阵列。

温州大学为第一通讯单位，温州大学研究生张鑫宇、王秀霞和朱琳熙为文章的第一作者，胡悦、张树辰、黄少铭为通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Evolution of catalyst design for controlled synthesis of chiral single-walled carbon nanotubes
Chemical Communications ( IF 4.9 ) Pub Date : 2024-06-03 , DOI: 10.1039/d4cc01227e
Xinyu Zhang 1 , Xiuxia Wang 1 , Linxi Zhu 1 , Yi Yu 1 , Hongfeng Yang 2 , Shuchen Zhang 3 , Yue Hu 1 , Shaoming Huang 4

导师介绍：

张树辰 https://faculty.ustc.edu.cn/zhangshuchen/zh_CN/index.htm

黄少铭https://www.x-mol.com/university/faculty/13505

胡悦https://www.x-mol.com/groups/huyue