超窄管径分布垂直定向单壁碳纳米管阵列的制备与应用

我国在垂直定向多壁碳纳米管阵列方面做出了杰出的先驱工作，然而关于单壁碳管垂直定向阵列的研究几近空白。本申请拟实现单壁碳纳米管垂直阵列在国内的首次制备，使我国赶上国际最先进的制备水平。同时，由于直径对单壁碳纳米管性质影响巨大，而现有垂直定向的单壁碳纳米管直径均较大，且分布超宽（一般在1-5纳米之间），使得目前材料性能与期待值尚有很大差距。因此，本申请更重要的目标是以全新的思路设计催化剂，拟于基板表面形成超窄直径分布的金属催化剂颗粒，以制备出超窄管径分布的单壁碳纳米管垂直阵列。这将是我国超越领域内现有水平、达到国际领先。最后，由于水分子在1-2纳米的单壁碳纳米管管腔内可超快传输，我们拟以管径1.5±0.2纳米的垂直阵列为基础，制备高效水分子滤膜。该方向应用不仅方兴未艾，而且避开了单壁碳纳米管制备中金属性与半导体性管比例不可控这一难点，是可使纳米基础研究与国计民生真正结合起来的一个极佳突破点。

小直径单壁碳纳米管阵列的制备是领域内难点。项目通过催化剂优化设计，发现Co/Mo催化剂体系中金属配比能显著调控所制备单壁碳纳米管的平均直径。其中，通过增加Mo配比，成功制备直径仅为1.2nm的垂直单壁碳纳米管阵列，并沿生长方向对直径分布做了定量表征。除传统的浸渍提拉法，项目还尝试利用超声喷雾法制备催化剂，也得到了直径在1.5-2.5nm之间可调的的垂直定向单壁碳纳米管阵列，超声喷雾法在大面积制备方面具有优势。生长机理方面，利用同位素标记追踪了碳源分子在材料生长过程中的裂解、积碳行为细节，阐明了碳源分子中不同位置碳原子的不对称贡献机制。最后，基于小直径单壁碳纳米管阵列，成功制得垂直阵列-高分子复合薄膜，为碳纳米管基高效水分子滤膜的制备提供材料及工艺基础。研究成果相继发表于ACS Naono，Carbon等领域内知名期刊，申请国家发明专利2项。项目执行期间负责人获批广东省杰出青年基金，广州市珠江科技新星专项等项目3项。