超长碳纳米管实现超高产率制备

　　本报讯 2月2日从清华大学传出消息，该校化工系副教授张如范课题组通过超长碳纳米管制备技术方法论层面的创新，实现了超长碳纳米管的超高产率制备，为超长碳纳米管的大批量制备及相关应用开发奠定了基础。

　　张如范课题组将超长碳纳米管的阵列密度首次提升至约6700根/毫米，比传统方法至少提升2~3个数量级，且制备的超长碳纳米管还具有分米级的长度、较少的管壁数、近乎完美的结构和较高的半导体型纯度。

　　张如范课题组通过深入研究超长碳纳米管的生长机理，提出了一种基底拦截导向策略来实现超长碳纳米管的超高产率制备。该策略将催化剂溶液气化后通入碳纳米管生长装置前端，同时在生长装置的中部放置一个耐高温平整基底，用于分割流场和拦截漂浮的短碳纳米管，使大量漂浮的短碳纳米管向超长碳纳米管的生长模式转变。这一策略可有效地将短碳纳米管的杂乱漂浮生长和超长碳纳米管的气流导向有序生长耦合起来，抑制催化剂颗粒在高温下的聚并，提升催化剂利用率，从而实现宏观长度、取向均一的高密度超长碳纳米管阵列的超高产率制备。此外，基底拦截导向策略在硅片、石英、石英玻璃等基底上也表现出良好的普适性，并可用于制备规整的超长碳纳米管交错网络，为构建纳米电子器件提供材料基础。

　　碳纳米管因其优异的力学、电学、热学等性能，在超强超韧纤维、下一代碳基芯片、高性能透明导电膜、智能柔性可穿戴设备等领域具有广阔应用前景。碳纳米管的各项性质受到其单体长度、取向度、缺陷浓度、结晶度、手性等多方面结构因素的影响，其中单体长度对碳纳米管宏观性质的影响尤为显著。因此，提升碳纳米管的长度是优化性能和发展下游应用的关键。只有兼具厘米级以上宏观长度、高取向度、高纯度和完美结构的超长碳纳米管，才可以发挥出碳纳米管本征的优异性能。

　　据介绍，在过去30多年的超长碳纳米管发展历程中，研究者们一直采用漂浮生长机制制备超长碳纳米管，存在生长工艺窗口窄、生长条件极为苛刻、催化剂利用率低下、存在催化剂颗粒聚并和碳纳米管间相互缠绕等问题，从而导致超长碳纳米管的产率非常低(超长碳纳米管在平整基底上的数量密度通常只有几十根/毫米)，无法满足量产的要求，限制了超长碳纳米管的批量制备和应用开发。