[发明专利]超长手性碳纳米管和制备方法、应用及高性能光电器件

说明书

本发明提供了一种超长手性碳纳米管和制备方法、应用及高性能光电器件，涉及碳纳米管技术领域，所述超长手性碳纳米管的直径为1.5‑5.5nm，长度为100‑650mm；其中，所述超长手性碳纳米管包括双壁碳纳米管和三壁碳纳米管，各管层均为半导体性且螺旋角均大于10°，本发明提供的超长手性碳纳米管包括双壁碳纳米管和三壁碳纳米管，其原子排列完美，结构稳定，具有窄手性分布，且管壁间具有独特的手性关联性，因而具有优异光、电、力和热学性能，在高性能光电器件领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及碳纳米管技术领域，尤其是涉及一种超长手性碳纳米管和制备方法、应用及高性能光电器件。

背景技术

碳是生命的基础元素，最简单的碳原子链式组合便是碳纳米管。这种中空管状结构、高长径比的特殊碳材料可以看作是由二维石墨烯沿一定方向卷曲而成，不同旋转轴的方向形成的碳纳米管具有不同的旋光性和手性参数。在特定温度、压力和气体环境下，上百亿个碳原子对可以超高的飞行时间按照螺旋位错形式在模板上精确组装。精准调控碳纳米管的手性不仅有利于发挥其本征优异的光、电、力和热学性能，对于生命信息碳骨架的解构与认知更有极大的促进作用。如果将碳纳米管的手性视为性状，那么决定其准确表达的遗传信息在于催化剂与碳纳米管界面处扶手椅形和锯齿形原子的界面能，手性与催化剂结构的匹配程度决定碳原子动态组装速度。采用理性设计方法实现特定手性性状的表达，要求催化剂具有多重对称的晶面结构及合适的碳原子界面能，然而这部分信息与手性之间对应关系的缺失给这种自上而下的调控方式带来了极大的困难。另一方面，实际表达出的手性性状也难以做到长期稳定并且完美，这给宏量制备碳纳米管并在实际应用中发挥其理论优异性能带来了巨大挑战，尤其对于结构更为复杂的多壁碳纳米管，如何维持原子结构长期稳定更是未解之谜。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种超长手性碳纳米管，以缓解现有碳纳米管难以维持原子结构长期稳定的技术问题。

本发明提供的超长手性碳纳米管的直径为1.5-5.5nm，长度为100-650mm；其中，所述超长手性碳纳米管包括双壁碳纳米管和三壁碳纳米管中的至少一种，各管层均为半导体性且螺旋角均大于10°。

进一步的，所述超长手性碳纳米管的最小带隙分布在0.2-0.45eV。

进一步的，所述双壁碳纳米管的直径为1.5-3.5nm，管层间的螺旋角差值为α，0°＜α＜15°，且至少包含一层螺旋角为β的管壁，其中，β＞25°或β＝19±3°；

优选地，所述双壁碳纳米管的直径为2-3.5nm，长度为154-650nm。

进一步的，所述三壁碳纳米管的直径为2.5-5.5nm，各管层的螺旋角均不相等，且至少包含一层螺旋角为γ的管壁，其中γ＞25°，或γ＝19±3°。

优选地，25°＜γ≤30°；

优选地，所述三壁碳纳米管的长度为154-650nm。

本发明的目的之二在于提供一种超长手性碳纳米管的制备方法，以利于超长手性碳纳米管的连续批量生产，实现规模化制备与应用。

本发明提供的超长手性碳纳米管的制备方法，包括如下步骤：

(a)将催化剂以固态、液态或气态形式负载于反应器中，并在反应器中放入生长基底；

(b)在惰性还原气体的保护下将反应器升温至反应温度，再将碳源和载气的混合气体通入反应器中进行反应；

(c)反应结束后，在反应器中通入惰性还原气体，冷却，得到超长手性碳纳米管。

进一步的，催化剂包括过渡金属单质和/或过渡金属化合物；