《Materials Today Nano》：Selective synthesis of single-walled carbon nanotubes in CVD via wall number control: a review
编辑推荐：
``摘要单壁碳纳米管（SWCNTs）的选择性合成仍然是一个重大挑战。关于催化剂性质和工艺条件对CNT壁数影响的报道因化学气相沉积（CVD）系统的不同而有所差异。本综述通过关注与额外壁形成相关的因素，探讨了催化CVD中的壁数控制方法。我们按照催化剂尺寸、组成、相态、催化剂-载体相互
``
摘要
单壁碳纳米管（SWCNTs）的选择性合成仍然是一个重大挑战。关于催化剂性质和工艺条件对CNT壁数影响的报道因化学气相沉积（CVD）系统的不同而有所差异。本综述通过关注与额外壁形成相关的因素，探讨了催化CVD中的壁数控制方法。我们按照催化剂尺寸、组成、相态、催化剂-载体相互作用、添加剂、前体化学以及反应器条件对文献进行了整理。比较了使用平面载体催化剂、固定床和流化床反应器中的粉末载体催化剂以及浮动催化剂的研究。对于每个因素，我们评估了催化剂活性、CNT直径、壁数分布、碳纯度以及成核后的碳沉积等方面的变化。由于直接观察额外壁形成的情况有限，我们采用了一种基于证据的分级方法来区分观察到的生长过程和从最终CNT产品推断出的解释。因此，我们综合考虑了催化剂状态、成核行为、碳供应以及成核后的沉积过程。在展望部分，我们基于这一评估提出了一个用于控制壁数的路径排除框架。该框架确定了三个实际的设计标准：维持从一个稳定晶核的生长、避免额外的稳定成核位点以及抑制后续的壁形成或碳过涂层。
引言
单壁碳纳米管（SWCNTs）是由单个石墨烯壁组成的圆柱形纳米结构，其中sp2键合的碳原子排列成六边形晶格。由于其结构特点，SWCNTs具有一系列优异的电学、机械和热学性能。因此，它们在各种应用领域受到了关注，包括下一代半导体器件[1]、[2]、[3]、柔性电子设备[4]、[5]、[6]、机械增强复合材料[7]、[8]、[9]、能量存储和转换设备[10]、[11]、[12]，以及纳米传感和生物传感应用[13]、[14]、[15]。由于手性向量（n, m）决定了SWCNT是金属性的还是半导体性的，并对其电传输性能有显著影响，因此控制手性的合成对于高性能电子器件的发展至关重要[2]、[3]、[16]。初始的纳米管结构是在碳网络和晶核形成过程中建立的[17]、[18]、[19]，而观察到的产品分布还可能受到手性依赖的延展动力学[20]、催化剂-CNT界面生长模式[21]、反应条件下的催化剂结构-活性关系[22]以及催化剂和纳米管的相对尺寸[24]的影响。
在化学气相沉积（CVD）生长过程中，催化剂活性和有效催化剂数量会随着局部气体组成和停留时间的变化而变化[25]、[26]。氢可以改变化合物的热解过程、催化剂表面状态和碳去除过程，并根据浓度和温度促进或抑制生长[25]。催化剂的组成和纳米级合金结构同样可以改变可用于SWCNT生长的活性催化剂构型[27]。总流量和气体停留时间会影响CNT的生长持续时间和气溶胶传输[26]。操作过程中的观察进一步表明，催化剂相态和催化剂-CNT界面配置在生长过程中可能会发生变化[28]，而载体化学性质则会影响颗粒的固定和迁移[29]。因此，这些因素应被视为相互依赖的生长阶段变量，而不仅仅是合成前后测量的静态特性。
据此，选择性合成SWCNTs的研究通过考察操作条件和催化剂状态与持续单壁生长及壁数分布变化之间的关系来进行。
本综述区分了直接的实验观察结果、结构推断、群体水平的相关性以及机械合理性的计算评估。对于每项研究，我们考虑了现有证据直接证明的内容、哪些结论需要机械解释，以及需要哪些额外观察来区分不同的解释。对同一催化剂-CNT对进行的时间分辨观察为建立单个催化剂-CNT系统内的连续事件序列提供了特别有力的证据。即使无法连续跟踪完整的过程顺序，对结构变化的直接观察也可以为生长过程中的特定阶段提供证据。相比之下，群体水平的相关性和间接关联虽然可以支持机械解释，但本身并不能确立单个催化剂-CNT对内的因果序列。原子级计算被视为在模拟条件下提出的路径物理合理性的证据，而不是证明某种路径在所有实验条件下都普遍适用或占主导的证据。
本综述的范围涵盖了催化化学气相沉积（CVD）中的壁数控制，包括使用平面载体催化剂的CVD、使用粉末催化剂的固定床和流化床CVD以及浮动催化剂CVD。弧放电和激光烧蚀合成、合成后的分选以及电子类型或手性选择性工艺不在本综述的主要范围内。双壁碳纳米管（DWCNTs）的形成与少壁碳纳米管（FWCNTs）和厚壁多壁碳纳米管（MWCNTs）的形成分别考虑，因为控制第二壁形成的条件和机制可能与控制额外壁形成的条件不同。
我们首先檢查了有关晶核形成、催化剂演化以及CNT表面碳沉积的实验和计算证据。然后，我们基于文献直接支持的结论评估催化剂和反应器变量，并确定现有证据不足以区分不同机制的领域。对于推测性的解释和前瞻性假设，则留到最后的展望部分讨论。
为了清晰起见，证据根据因果直接性被分为四个等级：一级（完整的时间分辨序列）、二级（直接的过程观察）、三级（群体或体外推断）和四级（计算可行性）。这些等级描述的是机械支持的直接性，而不是研究的整体质量。
章节片段
关于CNT成核、催化剂演化和额外壁过程的已知证据
本节评估了与CNT壁数演化相关的过程，但没有使用提出的路径排除框架作为组织框架。表1总结了观察结果或计算结果、基于证据的解释、关键限制以及证据等级。2.1–2.3节分别讨论了初始晶核形成和瞬态碳结构、催化剂演化以及成核后的CNT表面沉积。
与壁数控制相关的基于证据的催化剂和反应器因素
文献中报告的催化剂和反应器变量显示了它们与CNT壁数、催化剂活性、直径、碳纯度以及CNT表面沉积的系统特定关联。同一催化剂家族在不同的活性催化剂状态和局部碳暴露条件下，可以产生SWCNTs、DWCNTs、更厚的CNTs、封装颗粒或根本没有CNTs。因此，本节总结了关于催化剂尺寸、组成、相态、载体相互作用、添加剂、前体化学以及反应器传输方面的证据
基于证据的结论及剩余的机械不确定性
调查的文献表明，没有任何单一的催化剂描述符或反应器变量能够独立预测所有催化CVD平台下的CNT壁数。催化剂尺寸、组成、相态、载体相互作用、前体化学、添加剂和反应器配置与催化剂活性、CNT直径、壁数分布、碳纯度以及成核后的碳沉积变化有关，但它们的影响仍然依赖于具体系统。因此，壁数的选择性
展望与未来研究方向
通过综合第1节引言、第2节关于CNT成核、催化剂演化和额外壁过程的已知证据、第3节关于与壁数控制相关的基于证据的催化剂和反应器因素、第4节关于基于证据的结论及剩余的机械不确定性中的各种研究成果，发现仅通过特定的催化剂性质或单一过程变量难以解释选择性SWCNT的生长。SWCNTs与MWCNTs之间的差异可能始于
CRediT作者贡献声明
Juseong Park：写作与编辑。Chunghun Kim：写作与编辑。Myung Jong Kim：指导
利益冲突声明
作者声明他们没有可能影响本研究报告工作的任何竞争性财务利益或个人关系。
数据可用性
本综述未包含任何原始研究成果、软件或代码，也没有生成或分析新的数据。
关于手写本准备过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本工作时，作者使用了ChatGPT（OpenAI）来辅助韩语到英语的翻译，并改善了手写本的句子结构、清晰度和可读性。使用该工具后，作者对内容进行了审查、验证和必要的编辑，并对内容负全责。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金会由韩国政府（MSIT）资助（RS-2025-00522906项目）；MOTIE/KEIT的ITECH R&D项目（RS-2024-00420856项目，基于高质量BNNT生产的柔性辐射屏蔽片的开发）；以及由韩国政府（DAPA（国防采购计划管理局）资助的韩国国防技术规划与推进研究所（KRIT）的资助（项目编号KRIT-CT-21-014，2021年）。
Juseong Park|Chunghun Kim|Myung Jong Kim
```
