碳纳米管（CNT）和石墨烯的非凡性能和巨大的应用潜力从根本上取决于它们的大规模完美sp²结构。特别是对于高端应用，超低缺陷密度和超高选择性是先决条件，为此，金属催化化学气相沉积（CVD）是最有前途的方法。由于其结构和特性，CNT和石墨烯本身可以提供生长模板和非局域双重电导，在CVD期间用作具有可调带隙的模板自催化剂。然而，目前的增长动力学模型都聚焦于外部因素和边缘上。

有鉴于此，清华大学魏飞教授和Zhenxing Zhu等人，从模板自催化和整体电子结构的角度阐述了sp²纳米碳的生长动力学。

本文要点

1）在回顾了当前的生长动力学之后，分析了不同sp²纳米碳的CVD生长的代表性工作，揭示了它们的带隙耦合动力学和由此产生的选择性合成。然后回顾了最近的进展，这表明了碳纳米管的原子组装速率和带隙之间的相互作用，并且具有明显的火山依赖性，其峰值将由环境决定。最后，对完美纳米碳的动力学选择性生长进行了展望。

2）在其原子组装生长过程中，拓扑缺陷、带隙和原子组装速率之间存在着密切关系。以碳纳米管为例，其六元环结构的长程有序结构决定了特异性的电子能带结构，管口的锯齿/扶手椅结构与准液态金属催化剂组成的模板状态保持了碳纳米管的手性。

3）实现带隙与原子组装速率耦合的基础在于sp²纳米碳材料在生长过程中的模板作用、自催化能力和可调带隙空间，模板自催化的特征使sp²纳米碳的原子组装速率与带隙之间表现出非均相催化的Brønsted–Evans–Polanyi火山形分布规律。这样的耦合及其带来的动力学选择性，生长长度超过154 mm的碳管可实现99.9999%的超高半导体性纯度，并且呈现窄带隙分布。

参考文献：

Jun Gao et al. Bandgap‐Coupled Template Autocatalysis toward the Growth of High‐Purity sp² Nanocarbons. Advanced Science, 2021.

DOI: 10.1002/advs.202003078

https://doi.org/10.1002/advs.202003078