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北京大学李彦团队 | 以氧化石墨烯负载的钨酸钴作为催化剂前驱体选择性生长单壁碳纳米管

单壁碳纳米管(SWCNTs)独特的结构赋予其优异的性质,在信息、能源、生物成像等诸多领域有着巨大的应用前景。SWCNTs的电学和光学性质在很大程度上取决于其由一对手性指数(n,m)确定的结构,半导体性SWCNTs的带隙与直径大致成反比。因此,制备特定结构的SWCNTs具有重要的意义,这也是该领域面临的巨大挑战。在化学气相沉积法生长SWCNTs的过程中,催化剂的尺寸会影响所生长的SWCNTs的直径,因而制备尺寸均匀且分散良好的催化剂纳米颗粒对于实现SWCNTs的可控生长至关重要。


近日,北京大学李彦课题组提出了一种以氧化石墨烯(GO)作为载体,简单有效地制备碳纳米管催化剂前驱体的方法,并实现了SWCNTs的可控生长GO表面具有丰富的羟基、羧基等含氧基团,可通过静电或配位相互作用锚定Co2+,继续加入WO42-即可在其表面形成分散良好、尺寸均一的CoWO4纳米颗粒(图1)。而无 GO时则会形成较大的、团聚的CoWO4纳米颗粒,这表明GO在制备尺寸均匀的纳米粒子方面起着重要作用。 


图1 CoWO4/GO催化剂前驱体的TEM图像、颗粒直径统计和EDX能谱表征


将GO负载的CoWO4纳米颗粒(CoWO4/GO)催化剂前驱体溶液旋涂于SiO2/Si基底表面,经空气退火、氢气还原获得的催化剂纳米颗粒在基底表面分布均匀、尺寸分布窄(图2a-b)。研究发现,前驱体中WO42-对于制备均匀的催化剂纳米颗粒起到一定的作用。若在前驱体的制备过程中将Na2WO4替换为当量的Na2CO3,可获得CoCO3/GO催化剂前驱体,经相同的处理获得的纳米颗粒则尺寸分布较宽(图2c-d)。CoWO4/GO催化剂前驱体经预处理后获得的催化剂由Co7W6、Co和W组成(图3)。

图2 催化剂前驱体经氧化、还原后获得的催化剂纳米颗粒的AFM表征及尺寸统计

图3 催化剂的XRD和XAFS表征


Co7W6催化剂具有较高的熔点和独特的原子排列方式,可通过结构匹配实现SWCNTs的高手性选择性生长。另外,W可分散并稳定单质Co,使其在高温不易发生聚集。通过系统优化化学气相沉积条件,在最优的条件下可在SiO2/Si基底表面生长得到密集的SWCNTs(图4),其直径分布窄(1.74 ± 0.18 nm),半导体管含量约为90%(图5)。


图4 在优化条件下生长的SWCNTs的SEM和TEM图像


图5 SWCNTs的拉曼光谱和直径统计


这项工作不仅表明GO可以作为制备尺寸均一的纳米粒子的优良载体,而且提出了一种简单有效的策略实现SWCNTs在平整基底上的直径选择性生长。这对于发展SWCNTs的催化剂前驱体制备方法和SWCNTs的可控生长研究具有重要意义。



Graphene oxide-supported cobalt tungstate as catalyst precursor for selective growth of single-walled carbon nanotubes

Xue Zhao, Xiyan Liu, Feng Yang, Qidong Liu, Zeyao Zhang and Yan Li

Inorg. Chem. Front., 2021, Advance Article

https://doi.org/10.1039/D0QI01114B


*文中图片皆来源上述文章



此文章来自特别专辑

 

Celebrating 110th Anniversary of Chemistry at Peking University




通讯作者简介




李彦 教授

北京大学 化学与分子工程学院

李彦,北京大学化学与分子工程学院教授。1993年获北京大学无机化学博士学位。1999年至2001年任美国杜克大学访问副教授。自2002年起担任北京大学化学与分子工程学院教授。李彦教授主要从事碳纳米管的制备、修饰、表征和应用的研究。曾获国家杰出青年基金、教育部长江学者特聘教授、北京市高等学校教学名师、北京大学十佳教师、十佳导师、教育部科技成果奖自然科学一等奖(第一获奖人)、中国分析测试学会科学技术奖一等奖(第一获奖人)、全国优秀科技工作者、中国化学会-赢创化学创新奖杰出科学家奖等荣誉。





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