劉華平研究員團隊：為單一手性碳納米管產業化分離提供了重要途徑！利用高濃度單分散碳納米管溶液規模化分離單一手性碳納米管

單一手性碳納米管的規模化制備是構建高速、低功耗碳基電子、光電子器件的前提和關鍵，是碳納米管領域一直以來追求的目標。目前，無論是生長還是分離，單一手性碳納米管的規模化制備都面臨著巨大的挑戰。近日,中國科學院物理研究所劉華平研究員團隊發現凝膠色譜法分離碳納米管手性結構的過程中，增加碳納米管濃度，有利于促進其從流動相輸運到凝膠表面，增強其在凝膠上的吸附，進而增加碳納米管的分離效率和分離產量。該技術同樣適用于低成本的碳納米管/石墨烯雜化物原材料。利用這種原材料的高濃度分散溶液，實現了多種單一手性碳納米管次毫克量級分離制備。通過生命周期和經濟技術分析，利用高濃度單分散碳納米管溶液作為母液分離單一手性碳納米管，在能耗和成本方面可以減少80-90%。因此目前的分散和分離策略為單一手性碳納米管產業化分離提供了重要途徑。

以上研究成果以“Preparing high-concentration individualized carbon nanotubes for industrial separation of multiple single-chirality species”為題，于4月29日在Nature Communications (Nat. Commun. 2023, 14, 2491)期刊發表，文章第一作者博士后楊德華。上述研究工作得到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目、以及中科院項目的支持。

研究背景與內容

【資料圖】

隨著信息社會的發展，以人工智能、大數據快速處理以及傳輸為基礎的現代信息社會對數據的計算、存儲等能力的需求與日劇增。硅基器件隨著尺寸的縮減逐漸逼近其物理極限，器件加工難度和加工成本的大幅提高，為了延續和拓展摩爾定律，業界開始不斷探索新材料和新器件。相對于硅基半導體，碳納米管的電子遷移率提高了60倍，空穴遷移率提高了250倍。根據理論計算和模擬仿真預測，相對于傳統的硅基晶體管，碳納米管晶體管具有10倍的綜合性能優勢，而基于碳納米管器件的三維集成系統更是具有1000倍的能效優勢，因此碳納米管被認為是后摩爾時代的理想電子材料。然而不同碳納米管即使微小的結構差異（比如相同直徑，不同手性角）也會導致其巨大的光、電性質差異。生長制備的不同結構碳納米管混合物嚴重阻礙了其性質研究及器件應用。因此，單一手性碳納米管的規模化制備是構建高速、低功耗碳基電子、光電子器件的前提和關鍵，是碳納米管領域一直以來追求的目標。然而目前為止，無論是生長還是分離，單一手性碳納米管的規模化制備都面臨著巨大的挑戰。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心先進材料與結構分析實驗室A05組劉華平研究員團隊長期致力于單一手性碳納米管及其鏡像體的分離制備。早在2011年他們將凝膠色譜法應用于單一手性碳納米管的分離制備(Nat. Commun. 2011, 2, 309)，并發展了多種分子調控技術，實現了20余種單一手性碳納米管及其鏡像體的分離(Adv. Sci. 2022, 9, 2200054; Nano Lett. 2014, 14, 6237；Nano Lett., 2013, 13, 1996)。近年他們通過二元表面活性劑體系與溫度協同調控，實現了多種近鋸齒型單一手性碳納米管次毫克量級分離(Sci. Adv., 2021, 7, eabe0084)。然而這樣的產量仍然無法滿足碳納米管的實際應用需求。

最近，該團隊發現凝膠色譜法分離碳納米管手性結構的過程中，增加碳納米管濃度，有利于促進其從流動相輸運到凝膠表面，增強其在凝膠上的吸附，進而增加碳納米管的分離效率和分離產量。然而利用傳統的分散方法很難制備高濃度單分散碳納米管溶液。為了解決這一關鍵科學問題，他們發展了一種再分散技術，通過超聲分散-離心除雜-再分散過程，將單分散碳納米管溶液的濃度從0.19毫克/毫升增加到了約1毫克/毫升。利用高濃度碳納米管的分散液作為母液，單一手性碳納米管的分離效率和產量提高6倍以上，實現了(6, 4), (6, 5), (11, 1), (7, 5), (7, 6), (8, 3), (8, 4) 以及(9, 1)等多種單一手性碳納米管毫克量級分離。該技術同樣適用于低成本的碳納米管/石墨烯雜化物原材料。利用這種原材料的高濃度分散溶液，實現了多種單一手性碳納米管次毫克量級分離制備。通過生命周期和經濟技術分析，利用高濃度單分散碳納米管溶液作為母液分離單一手性碳納米管，在能耗和成本方面可以減少80-90%。因此目前的分散和分離策略為單一手性碳納米管產業化分離提供了重要途徑。

圖1. 高濃度碳納米管分散液制備。（a）高濃度單分散碳納米管溶液制備過程示意圖；（b）第一次離心前后碳納米管分散液粘度與其起始濃度的關系；（c）不同起始濃度碳納米管溶液分散制備的單分散碳納米管溶液光吸收譜；（d）碳納米管單分散液濃度以及分散效率與其起始濃度之間的關系。

圖2. 從高濃度單分散碳納米管溶液中分離毫克量級單一手性碳納米管。（a）單一手性碳納米管分離過程示意圖；（b）不同濃度單分散碳納米管溶液分離制備的（6,4）單一手性碳納米管光吸收譜；（c）單一手性（6,4）碳納米管分離產量與單分散碳納米管溶液濃度之間的關系；（d）分離制備的不同單一手性碳納米管的光吸收譜；（e）分離制備毫克量級單一手性碳納米管溶液照片。

圖3. 從碳納米管/石墨烯雜化物中分離單一手性碳納米管。（a）不同起始濃度碳納米管/石墨烯雜化物溶液光吸收譜；（b）碳納米管/石墨烯雜化物的拉曼光譜表征；（d）不同起始濃度碳納米管/石墨烯雜化物分散得到的單分散溶液在257nm處的吸光度；（e）不同起始濃度碳納米管/石墨烯單分散溶液分離制備的單一手性碳納米管的吸收光譜對比。

圖4.單一手性碳納米管分離技術的產業化和商業化的潛力和挑戰分析。不同濃度下分離單一手性碳納米管的溫室氣體排放對比（a）；能耗對比（b）；以及分離成本對比（c）。

通訊作者

劉華平，中科院物理所研究員

通訊作者簡介：劉華平，中科院物理所研究員，博士生導師。國家重點研發項目首席科學家，他是國際上最早利用凝膠色譜分離碳納米管手性結構，并取得國際領先成果的人員之一。他發展了多種分子調控技術，實現了近20 種單一手性碳納米管及鏡像體毫克量級分離。作為第一作者或通訊作者在Science Advances, Nature Communications, Nano Letters，ACS Nano，Adv. Funct. Mater.等國際學術期刊發表論文80 余篇，獲授權專利10余項，研究成果曾被Nanowerk News, Research blogging 等門戶網站多次報道。目前正在主持國家重點研發項目、國家自然科學基金重點國際合作項目，中科院重點項目等。

團隊詳情：

http://www.iop.cas.cn/rcjy/zgjgwry/?id=2017

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