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单壁碳纳米管阵列的控制生长与分离方法研究
引言
单壁碳纳米管（Carbonnanotubes，简称CNTs）是一种具有重要应用前景的纳米材料，其优异的机械、电子、热学及光学性能，使其在纳米电子学、分子生物学、储氢材料、纳米机器人及纳米传感器等领域得到了广泛应用。而单壁碳纳米管阵列的控制生长与分离方法是CNTs应用领域的前提与基础，因此对其进行深入研究具有重要意义。
本文将介绍单壁碳纳米管阵列的生长机制、已有的生长方法以及分离方法，并对其优缺点进行比较，最后展望其未来的发展方向。
一、单壁碳纳米管阵列的生长机制
在CNTs的制备过程中，大量的研究表明了金属催化剂在其中起到了至关重要的作用。目前研究较多的生长机制是碳化催化剂（CatalyticChemicalVaporDeposition，CCVD）法，主要是通过向反应室中注入碳源气体（如乙烯、甲烷等）和催化剂（如铁、镍等金属元素）源气体，然后在高温下进行反应，使碳源气体分解生成碳原子，随后在催化剂带领下形成碳纳米管。
在实际生长过程中，CNTs的生长与催化剂的质量密切相关。主要的反应中涉及到的反应方程式如下：
（1）催化剂热分解：
M（s）→M（l）+ΔH（kJ/mol）
（2）碳源气体在催化剂表面的吸附：
C2H4（g）+M（s）→C2H4㻌M（s）
（3）碳源气体在催化剂表面上的分解反应：
C2H4㻌M（s）→C（s）+CHx㻌M（s）
其反应过程可以分为催化剂的表面流化、高温气氛条件下的碳源气体的分解和CNTs的成长三个阶段。同时，为了获得具有较高单壁纳米管浓度、良好生长方向和尺寸一致性的CNTs阵列，应把握和控制好碳源气体、气氛条件、催化剂含量、载体官能团等生长参数。
二、已有的单壁碳纳米管阵列生长方法
（1）化学气相沉积法（ChemicalVaporDeposition，CVD）
化学气相沉积法（ChemicalVaporDeposition，CVD）是目前最常用的CNTs生长方法，其优点是可以实现高生长速度、高纯度和良好的尺寸控制。但是CVD法的缺点也比较明显，主要包括：其缺乏单壁纳米管的生长速率控制和高单壁纳米管浓度的直接控制步骤，生长温度高、生长时间长，以及生产的CNTs为非定向生长等。
（2）芯-壳结构纳米颗粒控制法
芯-壳结构纳米颗粒控制法是一种通过可控制的方法产生具有特定直径的CNTs和阵列的方法。通过使用芯-壳结构的纳米颗粒作为催化剂，在纳米颗粒的外壳增长足够数量的碳原子时，制成具有所需直径的CNTs。该方法可以弥补CVD法的一些缺陷，实现CNTs的直接控制。
（3）无催化剂单壁碳纳米管生长方法
无催化剂单壁碳纳米管生长方法是一种不需要催化剂控制的CNTs生长方法，其优点在于可以快速合成高质量、尺寸一致的CNTs。但目前该方法的研究仍处于初级阶段，其需要进一步完善针对性实验，以确定其较好的单壁纳米管浓度和生长速率。
三、单壁碳纳米管阵列的分离方法
CNTs的杂质问题是制备和应用过程中最主要的限制因素之一。目前CNTs的主要杂质有催化剂残留、管子残留、碳纳米管成分混杂等。因此，单壁碳纳米管阵列的分离方法十分必要，目前已有的主要分离方法为：
（1）密度梯度离心法
密度梯度离心法（DensityGradientCentrifugation，DGC）是以单壁碳纳米管在密度为梯度材料中的沉降速度不同作为基础的一种分离方法，其优点是分离纯度高、适合大批量的分离。但其缺点在于：样品处理时间过长，成本高，而且样品易受损坏。
（2）分子筛法
分子筛法（PorousMembraneFilterMethod，PMF）是一种通过分子筛在空气动力学过程中实现纯化单壁碳纳米管的方法；主要是根据CNTs的大小选择性穿透分子筛，从而实现不同尺寸CNTs分离的方法。同时由于本方法不需要离心，能提供高效、经济、方便，并且可适用于单壁和多壁CNTs的分离。
四、不同分离方法的比较及展望
以上所述的两种单壁碳纳米管的分离方法各有优劣。紧密梯度离心法能够获得更高的纯度，并且纯度高的产物可以轻松地进行表征和应用。但需要进行数小时乃至数日的离心分离来制备纯的CNTs，且其成本较高。而分子筛法不需要开销大量的色素密度梯度材料，需要的是经过精心设计的微孔过滤器，且不需要预处理不同密度的CNTs样品。然而分子筛法获得的纯度较低，而且在筛网上产生CNTs积聚，会造成CNTs的剔除率下降。
未来展望：研发一种简单、快速、可规模化并且纯度高的CNTs分离方法，并使其成为可以实现CNTs结构调控的新型技术，在纳米材料领域取得新的突破。
结论
单壁碳纳米管阵列的控制生长与分离是CNTs应用领域的必要前提和基础，而且目前在此方面的研究工作也已经成为CNTs应用领域的热点。本文介绍了单壁碳纳米管阵列的生长机制和已有的生