单壁碳纳米管可以看作是由sp2碳构成的准一维单层中空结构，由于管壁中碳原子排列方式的差异，碳纳米管呈现以手性指数（n,m）标定的不同结构，最终决定了单壁碳纳米管的本征光学、电学等特性。由于单壁碳纳米管是在催化剂粒子表面成核生长的，纳米催化剂个体的差异和生长微环境的不同，导致了合成的碳纳米管结构的多样性，限制了单壁碳纳米管的高端应用。自1993年单壁碳纳米管正式发现以来，制备结构均一、手性可控的单壁碳纳米管一直是生长领域的圣杯。在合成过程中，大部分催化生长的单壁碳纳米管遵循传统螺旋位错理论，即具有小手性角的近锯齿型碳管在生长动力学上是非常不利的，在最终碳管产品中的含量极低。例如，在商品化HiPco碳管中，（9,1）管的含量不足1%，限制了（9,1）等近锯齿形碳管的后续分离和下游应用。
在前期工作的基础上，必威体育官网何茂帅课题组与校内外相关课题组合作，开发了一种二氧化硅负载的钌金属催化剂，并利用化学气相沉积法合成了目前手性分布最窄的单壁碳纳米管粉体。其中，近锯齿形单壁碳纳米管的含量超过了34%。以制备的碳管粉体为原料，采用凝胶色谱柱法进行单一手性分离的结果显示，样品中的优势组分，包括（9,1）和（9,2）碳管等，极易通过简单的两步分离法获得纯度超过92%的溶液，而且其分离效率是商品化HiPco碳管的一百多倍（图a）。不同于传统的生长动力学理论，近锯齿形碳管在生长过程中的富集归因于碳管生长的决速步为碳原子在钌催化剂中的扩散（图b），阐释了不同手性角的单壁碳纳米管的长度和丰度在产物中大致相同的原因。研究成果不仅进一步完善了碳纳米管的生长动力学，而且为近锯齿形单壁碳纳米管的高效制备提供了新策略。
图、（a）单壁碳纳米管的高分离效率和（b）生长动力学示意图。
相关研究成果在Science Advances（10, eadn6519 (2024)；DOI：10.1126/sciadv.adn6519）在线发表，论文第一作者为必威体育官网硕士生李雅涵和中科院物理所李林海，通讯作者为青岛科技大学何茂帅教授、中科院物理所刘华平研究员、青岛科技大学李志波教授和北京大学张锦院士。相关工作得到了山东省重大基础研究基金（ZR2019Zd49）和山东省泰山学者人才工程（tstp20230627）等项目的支持。