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在一個叫碳材料的村子里，住著一群以黑為美的人，其中最具代表性的人物有大黑(富勒烯)、二黑(石墨烯)和小黑(碳納米管)。小黑每年都去參加村里的選美大賽，每次都因為不夠黑而拿第三名，那叫個郁悶啊。

于是，小黑背井離鄉(xiāng)，翻山越嶺尋找美黑秘方，卻多年未果。直到最近，快要絕望的小黑來到芬蘭，遇到幾位智者。智者聽了他的悲慘經(jīng)歷，說：你的黑已經(jīng)接近飽和了，再黑是不可能的了。不過我們倒是可以讓你變得更加與眾不同，容光煥發(fā)！正說著，智者從布袋中拿出一瓶與眾不同氣，然后告訴小黑使用秘訣。果然，三天后小黑每天便可隨意變換自身顏色。開心的時候就變成綠色，不開心的時候就變成棕色，回到村里一舉拿下選美冠軍。

想知道怎么變得與眾不同？請看正文：

第一作者：Yongping Liao,

通訊作者：Hua Jiang, Esko I. Kauppinen

通訊單位：芬蘭阿爾托大學(xué)(Aalto University School of Science)

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

課題組主頁：

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

研究亮點：

1.  實現(xiàn)了直接合成彩色的單壁碳納米管薄膜，顏色可通過不同濃度的CO₂實現(xiàn)調(diào)控。

2.  為合成高產(chǎn)率、窄手性分布的單壁碳納米管提供了新的策略

自古以來，碳就是黑色。然而，以前都是黑色，以后就永遠(yuǎn)只能是黑色嗎？

有鑒于此，芬蘭阿爾托大學(xué)Esko I. Kauppinen和Hua Jiang團隊通過控制CO₂氣流的速度，利用浮動催化劑化學(xué)氣相沉積法成功合成出彩色的單壁碳納米管薄膜。

研究人員發(fā)現(xiàn)，通過在浮動催化劑化學(xué)氣相沉積法合成SWCNT的過程中引入不同濃度的CO₂，合成出不同顏色的SWCNT產(chǎn)物。產(chǎn)物的顏色與SWCNT的直徑和手性分布有著重要的聯(lián)系。

圖1.  850 ℃下不同CO2濃度合成的SWCNT薄膜的照片和吸收光譜

研究人員以CO為碳源，二茂鐵為催化劑，實驗溫度設(shè)定在850或者870 ℃。在實驗過程中通入濃度為 0 vol%,  0.25 vol%， 0.37 vol%和 0.50 vol% 的CO₂氣流，合成出來的SWCNT薄膜具有不同的顏色，0.25 vol%和 0.37 vol%分別對應(yīng)綠色和棕色的產(chǎn)物。

到底是什么原因?qū)е戮哂蓄伾町惖膯伪谔技{米管的生成？最初他們懷疑是由于雜質(zhì)和濃度引起的顏色差異，后來TEM和EDS結(jié)果否定了這一結(jié)論。顏色上的差異可能只是結(jié)構(gòu)上的不同引起的，包括碳納米管直徑以及其手性分布。隨著CO₂濃度增高，吸收峰明顯紅移，而且碳納米管直徑越來越大。

圖2.  850 °C下0.50 vol% CO2濃度合成的SWCNT薄膜的TEM照片和電子衍射圖像

為了去證明手性結(jié)構(gòu)分布在顏色差異上的貢獻，他們對不同SWCNT進行了電子衍射分析。不同CO₂濃度下合成的SWCNT具有不同的手性分布，當(dāng)CO₂濃度為0.25 vol%時，手性分布最窄。

圖3. 850 °C下不同CO2濃度合成的SWCNT手性分布(a) 0 vol%,  (b)  0.25 vol% 和 (c) 0.50vol% 。(d) 不同CO2濃度合成的SWCNT的直徑分布

碳納米管平均直徑與CO₂濃度呈正比，當(dāng)CO₂濃度為0.25 vol%時，直徑分布最窄，加上較窄的手性分布，使得吸收峰移至可見光區(qū)（610nm處），從而表現(xiàn)出綠色。當(dāng)濃度繼續(xù)升高，可見光區(qū)的吸收峰會減弱，相應(yīng)的顯示出棕色。

圖4. 880 °C下0.25 vol% CO2濃度合成的SWCNT手性分布和直徑分布

另外，作者們也研究了溫度對整個反應(yīng)產(chǎn)物的影響，分別在850和880 °C下開展實驗。他們發(fā)現(xiàn)溫度越高，碳納米管直徑分布和手性分布越窄，可以賦予SWCNT更豐富的顏色。最后他們對彩色的SWCNT薄膜進行了簡單的導(dǎo)電性測試，發(fā)現(xiàn)它們擁有較高的導(dǎo)電性，可以被用在一些觸屏設(shè)備。

那么，CO₂的作用到底是什么呢？遺憾的是作者們沒能給出足夠的證據(jù)，只能根據(jù)一系列的實驗結(jié)果猜測一定濃度的CO2濃度可能影響了CO的歧化反應(yīng)過程。

當(dāng)然，后續(xù)的工作還在進行，讓我們一起期待為什么小黑吸收了不同濃度的CO₂就能變成不同顏色，以及小綠小棕們具有什么更了不起的神通？欲知后事如何，請看下回分解。

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參考文獻：

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