超長碳納米管實現(xiàn)超高產(chǎn)率制備

日前，清華大學化工系副教授張如范課題組通過超長碳納米管制備技術(shù)方法論層面的創(chuàng)新，實現(xiàn)了超長碳納米管的超高產(chǎn)率制備，為超長碳納米管的大批量制備及相關(guān)應(yīng)用開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。張如范課題組將超長碳納米管的陣列密度首次提升至約6700 根/mm，比傳統(tǒng)方法至少提升2～3 個數(shù)量級，且制備的超長碳納米管還具有分米級的長度、較少的管壁數(shù)、近乎完美的結(jié)構(gòu)和較高的半導體型純度。通過深入研究超長碳納米管的生長機理，提出了一種基底攔截導向策略以實現(xiàn)超長碳納米管的超高產(chǎn)率制備。該策略將催化劑溶液氣化后通入碳納米管生長裝置前端，同時在生長裝置的中部放置一個耐高溫平整基底，用于分割流場和攔截漂浮的短碳納米管，使大量漂浮的短碳納米管向超長碳納米管的生長模式轉(zhuǎn)變。

碳納米管因其優(yōu)異的力學、電學、熱學等性能，在超強超韌纖維、下一代碳基芯片、高性能透明導電膜、智能柔性可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。碳納米管的各項性質(zhì)受到其單體長度、取向度、缺陷濃度、結(jié)晶度、手性等多方面結(jié)構(gòu)因素的影響，其中單體長度對碳納米管宏觀性質(zhì)的影響尤為顯著。因此，提升碳納米管的長度是優(yōu)化性能和發(fā)展下游應(yīng)用的關(guān)鍵。只有兼具厘米級以上宏觀長度、高取向度、高純度和完美結(jié)構(gòu)的超長碳納米管，才可以發(fā)揮出碳納米管本征的優(yōu)異性能。

據(jù)介紹，在過去30 多年的超長碳納米管發(fā)展歷程中，研究者們一直采用漂浮生長機制制備超長碳納米管，存在生長工藝窗口窄、生長條件極為苛刻、催化劑利用率低下、存在催化劑顆粒聚并和碳納米管間相互纏繞等問題，從而導致超長碳納米管的產(chǎn)率非常低(超長碳納米管在平整基底上的數(shù)量密度通常只有幾十根/毫米)，無法滿足量產(chǎn)的要求，限制了超長碳納米管的批量制備和應(yīng)用開發(fā)。