负载型金属硫化物催化剂手性控制合成单壁碳纳米管的研究

To solve the core issue in the field of carbon nanotubes, i.e. how to achieve the chirality-controlled synthesis of single-walled carbon nanotubes(SWCNTs), this work aims to develop novel catalysts for chirality-controlled synthesis of SWCNTs. Supported metal sulfide catalysts will be prepared via impregnated sulfidation method for chirality-controlled synthesis of SWCNTs, and the optimal SWCNT growth conditions will be systematically investigated. By exploring the role of sulfur on controlling the catalytic metal nanoparticles during SWCNT synthesis using X-ray absorption and other techniques, the growth mechanism of SWCNTs impacted by sulfur will be studied. On the one hand, to achieve the chirality-controlled synthesis of SWCNTs via the development of new catalysts facilitates the understanding of SWCNT growth mechanism; on the other hand, the knowledge of SWCNT growth mechanism is of great importance for the design of new catalysts and optimization of SWCNT growth conditions. This work offers a feasible approach for chirality-controlled synthesis of SWCNTs and thus contributes to the practical applications of SWCNTs.

针对当前碳纳米管研究领域中的核心问题，即如何实现单壁碳纳米管（SWCNTs）的手性可控制备，本项目以发展新型催化剂实现SWCNTs的手性控制合成为目标，采用浸渍硫化方法制备负载型金属硫化物催化剂用于手性控制合成SWCNTs，考察手性控制合成SWCNTs的优化生长条件，通过X射线吸收光谱（XAS）等表征方法探索在SWCNTs的整个合成过程中硫对催化剂金属纳米颗粒的控制作用，并研究硫作用下SWCNTs的手性可控生长机理。一方面，通过发展催化剂实现SWCNTs结构的调控有助于理解SWCNTs的生长机理；而另一方面，深入理解SWCNTs的生长机理对新型催化剂的设计和生长条件的优化具有指导意义。这项研究将从这两方面为手性控制合成SWCNTs提供一种可行的方案，从而为SWCNTs的实际应用奠定基础。

单壁碳纳米管的手性可控制备是目前碳纳米管研究领域的关键问题。针对该问题，本项目提出发展新型催化剂来手性控制合成单壁碳纳米管，采用浸渍法制备了一系列负载型金属硫化物催化剂，并采用这些催化剂选择性合成了较大管径的(9,8)碳纳米管和小管径的(6,5)、(7,5)、(7,6)和(8,4)碳纳米管；通过调节催化剂中的金属钴含量，系统研究了钴含量对单壁碳纳米管的手性选择性和碳产率的影响。生长机理方面，考察了在碳纳米管生长过程的各个阶段，硫对金属纳米颗粒尺寸和组成的影响，从而提出了硫作用下单壁碳纳米管的手性控制合成机理。此外，采用氧化镁作载体制备了负载型钴催化剂，考察优化的碳纳米管生长条件，选择性合成了小管径的(7,5)和(7,6)碳纳米管，研究了不同载体和溶剂制备的催化剂对合成单壁碳纳米管的影响，并提出了单壁碳纳米管的选择性生长机理。我们的研究结果为新型催化剂的设计以及手性控制合成单壁碳纳米管提供了研究思路和方法。