催化生長是可控制備納米材料的高效途徑。催化劑的工作狀態(tài)決定了所得納米材料的結(jié)構(gòu)、形貌及其生產(chǎn)工藝。在眾多納米材料中，碳納米管作為典型代表，就是通過金屬催化轉(zhuǎn)化碳源實(shí)現(xiàn)其宏量可控制備。目前碳納米管已在鋰離子電池、超級電容器、復(fù)合材料等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。在諸多種類的碳納米管中，單壁碳納米管比表面積最高、導(dǎo)電性最好，利用其構(gòu)建的透明導(dǎo)電膜、復(fù)合材料、儲能器件具有優(yōu)異的性能。因此，單壁碳納米管處于眾多碳管中的最高端。但是，目前催化途徑制備的單壁碳納米管往往存在著無定型碳、碳包鐵等雜質(zhì)，嚴(yán)重影響單壁碳納米管的宏觀性能，進(jìn)而降低單壁碳管的品質(zhì)。如何獲得高純的碳納米管是重要的科學(xué)問題和技術(shù)挑戰(zhàn)。

清華大學(xué)張強(qiáng)、魏飛教授組在該領(lǐng)域的研究近期取得了進(jìn)展。碳納米管的金屬催化劑是生長、純化碳納米管的關(guān)鍵。但是以往的研究往往只監(jiān)測反應(yīng)、純化前后催化劑或者碳納米管的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，并未表征工作狀態(tài)中的催化劑，進(jìn)而難以獲得催化劑真實(shí)工作時(shí)的直接信息。該課題組采用實(shí)時(shí)在線的熱重反應(yīng)器作為碳納米管生長和純化的工作環(huán)境，通過熱重天平記錄反應(yīng)和純化過程中催化劑的質(zhì)量變化，通過量熱測量反應(yīng)過程中催化劑的熱量變化，通過質(zhì)譜測量反應(yīng)過程中催化劑附近的氣氛變化，從而獲得正在工作狀態(tài)中的催化劑的直接信息。結(jié)合高分辨電鏡，進(jìn)而理解到在金屬催化劑生長碳納米管時(shí)，單壁管和碳包鐵的生長同時(shí)進(jìn)行，單壁管高速生長，但是壽命很短，碳包鐵催化生長緩慢，但是生長周期很長。在純化過程中，金屬催化劑的外殼優(yōu)先受到氧化劑的進(jìn)攻，進(jìn)而使普通液相難以處理的被碳包覆的金屬催化劑得到了充分的暴漏。在理解碳管形成以及純化過程中的金屬催化劑的工作原理基礎(chǔ)上，提出氣固超短接觸生長及二氧化碳輔助純化的途徑，將單壁碳納米管的純度提升至99.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。相關(guān)文章在《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）發(fā)表，相關(guān)圖片并作為第23卷第40期封面發(fā)表。