[发明专利]用于制备手性选择性和导电性选择性单壁碳纳米管的催化剂及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及单壁碳纳米管，特别涉及用于制备具有手性选择性和导电性选择性的单壁碳纳米管的催化剂，以及其制备方法和应用。 

背景技术

作为典型的纳米材料，碳纳米管，特别是单壁碳纳米管由于具有优异的性能而成为当今研究的重点。 

单壁碳纳米管具有高的长径比，是典型的一维纳米材料。由卷成圆筒状的石墨层构成的单壁碳纳米管具有极高的长径比，这种特殊的管状结构决定了碳纳米管具有优异的物理、化学、电学和机械性能，例如：极高的杨氏模量、抗拉强度和热导率，理想的一维量子线和直接带隙光学性能，能修饰上其它分子并有较好的生物兼容性。与结构相对单一的笼状富勒烯分子相比，这些优点赋予了碳纳米管在纳米电子器件、光学器件、化学生物传感器和复合材料等诸多领域更为广阔的应用前景。 

单壁碳纳米管由于其石墨层卷曲方向的不同而具有手性。单壁碳纳米管的手性以(n，m)表示，如图1所示，碳纳米管可以看成是二维石墨烯在圆柱体表面的投影，当圆柱体的圆周刚好与石墨烯片层的某一个布里渊晶格矢量R重合时，才能实现石墨烯在圆柱体表面的投影。每一个布里渊晶格矢量R，是由两个石墨烯原胞矢量R₁和R₂以及一对整数(n，m)组成： 其中(n,m)定义为碳纳米管手性。需要特别指出的是手性角θ为0°或30°的两类单壁管，分别对应(n，0)和(n， n)管，它们都具有一个对称面，因而是非手性的。其中，（n，0）型称为锯齿型（Zigzag）;（n，n）型称为扶手椅型（Armchair）。除这两种结构以外，其他的单壁管都是手性的。作为单壁碳纳米管的基本性质，手性决定了其物理和化学性质，例如导电性等。当n-m=3q，q为整数时，单壁碳纳米管为金属性的，否则，单壁碳纳米管为半导体性的。因此，通常制备得到的单壁碳纳米管中，有1/3(33%)为金属性碳纳米管，另外2/3(66%)为半导体性碳纳米管。 

可控制备高纯度的手性、半导体性/金属性单壁碳纳米管（SWNTs）是目前碳纳米管研究领域的核心技术，决定了其在碳基电子学领域的应用前景。半导体性单壁碳纳米管可以用作构筑纳米级逻辑电路的基本单元，如场效应晶体管、p-n结二极管和存储器件等；金属性单壁碳纳米管具有电流密度承受力强、直径小、化学稳定性高以及热稳定性高等优良性能，在逻辑电路和分子器件中，它是最好的连接用导线。但是，这些应用在很大程度上取决于单壁碳纳米管的性质，如直径、手性、导电性等等，所以选择性生长SWNT具有重要意义。 

虽然现有技术中已经有关于物理化学法可控选择性分离单壁碳纳米管的报道，但这些文献中报道的技术步骤复杂，而且分离效果不理想。 

目前，研究者通过等离子增强技术、紫外光刻蚀、掺杂氧化性碳源前驱体、调节碳源分压等方法，可以直接生长具有半导体性选择性的单壁碳纳米管；通过在碳源中添加含硫元素的化合物可以得到较高选择性的金属性单壁碳纳米管。但是这些方法都只能得到体相型单壁碳纳米管，而体相单壁碳纳米管在硅基底上的单分散又是一大难题，阻碍了其在场效应晶体管器件中的应用；在基底上利用克隆法可控生长单壁碳纳米管也可 以得到较好的导电性、手性选择性，但是该法较难实现大规模可控制备，限制了进一步应用。 

为了适应于表面电学器件研究，直接在基底生长具有手性选择性和导电性选择性（即半导体性/金属性）单壁碳纳米管具有更大挑战和研究意义。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现：通过将高沸点金属钨和其它金属形成的化合物通过氢气还原，得到由钨和其它金属形成的合金，将所得合金用作催化剂，可以在基体上生长得到具有手性选择性和导电性选择性的单壁碳纳米管，从而完成本发明。 

本发明的目的在于提供一种用于制备手性选择性和导电性选择性单壁碳纳米管的催化剂，该催化剂为具有下式（Ⅰ）所示的化学组成的合金： 

AB_y    式（Ⅰ） 

其中，A表示金属钨W； 

B表示选自以下中一种或多种的金属：过渡金属钒（V）、铬（Cr）、锰（Mn）、铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）、铜（Cu）、锌（Zn）、铑（Rh）、钌（Ru），钯（Pd）、铂（Pt）、金（Au）、银（Ag）、铼（Re）、锇（Os）、铱（Ir），和镧系稀土金属； 

y为0.01-20.0。 

本发明的另一目的在于提供用来生长具有手性选择性和导电性选择性的单壁碳纳米管的催化剂的制备方法，所述催化剂为具有上述式（Ⅰ）所示的化学组成的合金，该方法包括以下步骤：