碳纳米管 (CNT) 以其非凡的物理特性而闻名，包括高电导率、抗拉强度和热稳定性，使其成为广泛应用的有前途的材料。然而，CNT的实用性在很大程度上取决于它们的手性——这一参数决定了纳米管是作为半导体还是金属导体。这种手性是指碳原子沿管轴排列的角度，用一对指数 (n,m) 来表示。在各种手性中，(6,5) CNT 因其半导体性质、小直径和宽带隙而特别受关注，使其非常适合电子和光电应用。CNT 合成的挑战在于实现对特定手性的高选择性。传统的 CNT 生产方法通常会产生不同手性的混合物，从而限制了它们在特定应用中的实用性。为了充分利用 CNT 的潜力，研究人员一直在寻找选择性生产具有所需手性的高纯度 CNT 的方法。鉴于此，来自日本东北大学的研究人员完成了碳纳米管 (CNT) 合成领域的突破，重点是生产高纯度单手性CNT。这项工作解决了纳米材料研究中的一个重大挑战：控制碳纳米管手性的能力，这对于确定其电气、光学和机械性能至关重要。具体来说，研究人员利用由镍 (Ni)、锡 (Sn) 和铁 (Fe) 组成的三金属催化剂，开发了一种合成 (6,5) 单壁碳纳米管 (SWNT) 的方法，其纯度高达约 95.8%，代表了该领域的重大进展。

这项研究的关键创新是开发了一种三金属催化剂，可以选择性合成 (6,5) CNT。研究人员首先系统地探索了双金属和三金属催化剂的各种组合，最终确定NiSnFe是该工艺的最佳催化剂。事实证明，在催化剂中加入铁 (Fe) 至关重要，因为它可以提高 (6,5) CNT 的产量和纯度。催化剂功能的关键方面之一是催化剂纳米颗粒内Ni3Sn金属间晶体的形成。这些晶体降低了 (6,5) CNT 生长所需的活化能，从而促进了这种手性的选择性形成。Ni3Sn 结构提供了一个具有双重对称性的表面，与 (6,6) CNT 的结构一致，随后可以在适当的生长条件下转变为 (6,5) CNT。这种催化剂设计对于合成过程的成功至关重要，代表了一种控制 CNT 手性的新方法。(6,5) CNT 的合成采用等离子体增强化学气相沉积 (CVD) 方法。研究人员发现，严格控制生长温度和预处理催化剂对于实现所需纯度至关重要。在开始 CNT 生长之前，将催化剂预热至 550°C，这促进了 Ni3Sn 晶体的形成。然后在 475°C 的较低温度下进行实际的 CNT 生长，这允许选择性生长 (6,5) CNT，而不会促进其他手性的形成。对合成条件的精确控制是本研究实现高选择性的关键。使用等离子体增强 CVD 使研究人员能够微调生长环境，优化反应动力学和热力学以利于 (6,5) 手性。研究人员采用了光致发光-激发 (PLE) 映射、紫外-可见-近红外光谱和拉曼光谱相结合的方法，以评估合成碳纳米管的纯度。这些技术通常用于表征碳纳米管并确定其手性分布。结果表明，(6,5) 手性约占碳纳米管总量的 95.8%，使其成为手性选择性合成中报告的最高纯度之一。此外，透射电子显微镜 (TEM)图像显示 (6,5) CNT 形成了高度有序的束状结构，表明该材料具有高质量和均匀性。这些束状结构的形成表明合成的 CNT 排列良好，并表现出强烈的范德华相互作用，这可能有利于电子和光子学应用。为了深入了解（6,5）CNT选择性生长的机理，研究人员利用X射线吸收近边结构（XANES）、扩展X射线吸收精细结构（EXAFS）和X射线衍射（XRD）等先进技术进行了结构分析。这些分析提供了有关CNT生长过程中催化剂原子结构的详细信息。结果证实，催化剂纳米颗粒中的 Ni3Sn 晶体在生长过程中起着关键作用。这些晶体的双重对称性与 (6,6) CNT 的结构非常匹配，为 CNT 的初始成核提供了模板。随着生长的进行，发生了从 (6,6) 到 (6,5) 的热力学驱动转变，从而允许选择性合成 (6,5) CNT。这种转变得益于 475°C 的低生长温度，这限制了其他手性的形成。催化剂中 Fe 的存在通过稳定 Ni3Sn 相和促进选择性成核过程进一步促进了 (6,5) CNT 的生长。这些发现为了解催化剂设计在控制 CNT 手性方面的作用提供了宝贵的见解，并可能为未来实现其他 CNT 类型的手性选择性合成提供参考。合成超高纯度 (6,5) CNT 的能力对于广泛的应用具有重要意义，特别是在电子、光电子和纳米技术领域。本研究中生产的 (6,5) CNT 表现出半导体行为，使其非常适合用于晶体管、传感器和其他需要精确控制电气特性的电子设备。它们的高光致发光量子产率也使它们适合用于光电探测器和其他光电设备。这项研究最值得注意的发现之一是CNT 束结构的形成，这种结构表现出独特的激子特性。研究发现，这些束的光致发光 (PL) 寿命比孤立的 (6,5) CNT 长 20 倍以上。这种延长的 PL 寿命表明，这些束可能有助于激子离域或管间激子的形成，这可能有利于生物成像、量子计算和其他长寿命激子态有益的领域的应用。

总之，这项研究代表了碳纳米管合成领域的重大突破，展示了使用三金属 NiSnFe 催化剂生产超高纯度 (6,5) CNT 的能力。该研究为手性选择性 CNT 生长的机制提供了宝贵的见解，并强调了催化剂设计在实现这一目标中的重要性。研究中生产的超高纯度 (6,5) CNT 有可能彻底改变从晶体管和传感器到光电探测器和生物成像设备的广泛应用。随着研究人员不断改进合成工艺并探索新的催化剂设计，大规模生产纯手性碳纳米管的前景越来越光明。生产能够精确控制手性的碳纳米管将为先进材料和设备的开发开辟新的可能性，为下一代纳米技术驱动的创新铺平道路。

信息来源：Carbontech

氧化石墨烯：

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，一般用GO表示，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。其亲水性被广泛认知。