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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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