就是要做不同，彩色碳纳米管横空出世！

纳米人

2018-07-30

在一个叫碳材料的村子里，住着一群以黑为美的人，其中最具代表性的人物有大黑(富勒烯)、二黑(石墨烯)和小黑(碳纳米管)。小黑每年都去参加村里的选美大赛，每次都因为不够黑而拿第三名，那叫个郁闷啊。

于是，小黑背井离乡，翻山越岭寻找美黑秘方，却多年未果。直到最近，快要绝望的小黑来到芬兰，遇到几位智者。智者听了他的悲惨经历，说：你的黑已经接近饱和了，再黑是不可能的了。不过我们倒是可以让你变得更加与众不同，容光焕发！正说着，智者从布袋中拿出一瓶与众不同气，然后告诉小黑使用秘诀。果然，三天后小黑每天便可随意变换自身颜色。开心的时候就变成绿色，不开心的时候就变成棕色，回到村里一举拿下选美冠军。

想知道怎么变得与众不同？请看正文：

第一作者：Yongping Liao,

通讯作者：Hua Jiang, Esko I. Kauppinen

通讯单位：芬兰阿尔托大学(Aalto University School of Science)

从左到右：Esko I. Kauppinen教授、Dr. Hua Jiang、Yongping Liao

课题组主页：

http://physics.aalto.fi/en/groups/nmg/

研究亮点：

1.  实现了直接合成彩色的单壁碳纳米管薄膜，颜色可通过不同浓度的CO₂实现调控。

2.  为合成高产率、窄手性分布的单壁碳纳米管提供了新的策略

自古以来，碳就是黑色。然而，以前都是黑色，以后就永远只能是黑色吗？

有鉴于此，芬兰阿尔托大学Esko I. Kauppinen和Hua Jiang团队通过控制CO₂气流的速度，利用浮动催化剂化学气相沉积法成功合成出彩色的单壁碳纳米管薄膜。

研究人员发现，通过在浮动催化剂化学气相沉积法合成SWCNT的过程中引入不同浓度的CO₂，合成出不同颜色的SWCNT产物。产物的颜色与SWCNT的直径和手性分布有着重要的联系。

图1.  850 ℃下不同CO2浓度合成的SWCNT薄膜的照片和吸收光谱

研究人员以CO为碳源，二茂铁为催化剂，实验温度设定在850或者870 ℃。在实验过程中通入浓度为 0 vol%,  0.25 vol%， 0.37 vol%和 0.50 vol% 的CO₂气流，合成出来的SWCNT薄膜具有不同的颜色，0.25 vol%和 0.37 vol%分别对应绿色和棕色的产物。

到底是什么原因导致具有颜色差异的单壁碳纳米管的生成？最初他们怀疑是由于杂质和浓度引起的颜色差异，后来TEM和EDS结果否定了这一结论。颜色上的差异可能只是结构上的不同引起的，包括碳纳米管直径以及其手性分布。随着CO₂浓度增高，吸收峰明显红移，而且碳纳米管直径越来越大。

图2.  850 °C下0.50 vol% CO2浓度合成的SWCNT薄膜的TEM照片和电子衍射图像

为了去证明手性结构分布在颜色差异上的贡献，他们对不同SWCNT进行了电子衍射分析。不同CO₂浓度下合成的SWCNT具有不同的手性分布，当CO₂浓度为0.25 vol%时，手性分布最窄。

图3. 850 °C下不同CO2浓度合成的SWCNT手性分布(a) 0 vol%,  (b)  0.25 vol% 和 (c) 0.50vol% 。(d) 不同CO2浓度合成的SWCNT的直径分布

碳纳米管平均直径与CO₂浓度呈正比，当CO₂浓度为0.25 vol%时，直径分布最窄，加上较窄的手性分布，使得吸收峰移至可见光区（610nm处），从而表现出绿色。当浓度继续升高，可见光区的吸收峰会减弱，相应的显示出棕色。

图4. 880 °C下0.25 vol% CO2浓度合成的SWCNT手性分布和直径分布

另外，作者们也研究了温度对整个反应产物的影响，分别在850和880 °C下开展实验。他们发现温度越高，碳纳米管直径分布和手性分布越窄，可以赋予SWCNT更丰富的颜色。最后他们对彩色的SWCNT薄膜进行了简单的导电性测试，发现它们拥有较高的导电性，可以被用在一些触屏设备。

那么，CO₂的作用到底是什么呢？遗憾的是作者们没能给出足够的证据，只能根据一系列的实验结果猜测一定浓度的CO2浓度可能影响了CO的歧化反应过程。

当然，后续的工作还在进行，让我们一起期待为什么小黑吸收了不同浓度的CO₂就能变成不同颜色，以及小绿小棕们具有什么更了不起的神通？欲知后事如何，请看下回分解。

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参考文献：

Yongping Liao, Hua Jiang, Esko I. Kauppinenet al. Direct Synthesis of Colorful Single-walled Carbon Nanotube Thin Films. JACS,2018.

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.8b05151