Forskere dyrker carbon nanorør med ultra renhed

(Phys.org) —Single-walled carbon nanorubes (SWCNTs) undersøges bredt for deres potentielle anvendelser på mange områder; for eksempel, som elektrodematerialer til energilagring, som gennemsigtige ledende film, og som nanokompositmaterialer med nye egenskaber. Men alle disse applikationer kræver, at SWCNT'erne har en meget høj renhed, da metalliske urenheder har negative virkninger på nanorørets egenskaber. Indtil nu, at forberede SWCNT'er med meget få metalliske urenheder har været udfordrende.

I et nyt papir udgivet i Avancerede funktionelle materialer , Professorer Qiang Zhang og Fei Wei ved Beijing Key Laboratory of Green Chemical Reaction Engineering and Technology ved Tsinghua University i Beijing, Kina, sammen med deres medforfattere, har demonstreret en metode til fremstilling af SWCNT'er med et kulstofindhold på 99,5 vægtprocent på pulverkatalysatorer, som er en af ​​de højeste renheder til dato.

Generelt, når SWCNT'er først dyrkes på metal-nanopartikelunderstøttede katalysatorer, deres kulstofrenhed er normalt omkring 90 vægtprocent. Forskere kan forbedre renheden ved at bruge nye syntetiske vækstmetoder til at opnå præcis kontrol over vækstprocessen og begrænse væksten af ​​metalliske urenheder. En anden mulighed er at prøve at fjerne nogle af de metalliske urenheder efter SWCNT -vækst, men disse metoder ødelægger ofte nogle af nanorørene i processen.

I de fleste tidligere undersøgelser, SWCNT'erne er karakteriseret før og efter vækst- og rensningsprocesserne er udført, men meget få undersøgelser overvåger, hvad der sker under disse processer.

I dette studie, forskerne brugte en termogravimetrisk reaktor forbundet til et massespektrometer til in situ overvågning af væksthastigheden for SWCNT'er dyrket på metalkatalysatorer i 30 minutter. Dataene viste, at vækstraten stiger hurtigt i løbet af de første 27 sekunder, sænker derefter hastigheden og afsluttes næsten på omkring 2 minutter. Efter det, massen stiger kun meget gradvist.

Denne overvågning afslører, at SWCNT'erne faktisk er færdige med at vokse efter 2 minutter, og derefter fortsætter metalliske urenheder med at vokse til skade for SWCNT -renheden. Ved at reducere vækstvarigheden fra 30 til 2 minutter, forskerne viste, at de kunne forbedre renheden af ​​SWCNT'erne fra 90,4 til 98,5 vægtprocent.

Under vejledning af in situ overvågning, forskerne kunne yderligere forbedre renheden ved hjælp af en eftervækstteknik. De viste, at CO ₂ oxidation ved en bestemt temperatur (850 ° C) effektivt kunne fjerne metalliske nanopartikler, mens SWCNT'erne bevares. Følgelig, meget få kulstofnanorør ødelægges ved denne metode, mens renheden stiger til 99,5 vægtprocent.

" In situ overvågning af arbejdskatalysatorerne er ekstremt vigtig, "Zhang sagde." Oplysningerne fra arbejdskatalysatorerne indikerede succesen med fremstillingen af ​​CNT'er med høj renhed. Det ligger i effektiv vækst af CNT'er med en lav mængde nanocarbon -urenheder og delvis oxidation af metal@carbon -skaller af katalytisk CO ₂ oxidation med korrekte driftsparametre. En sådan forståelse er ganske nyttig at designe ruten til masseproduktion af CNT'er med høj renhed. "

I fremtiden, forskerne planlægger at ændre den termogravimetriske reaktor for yderligere karakteriseringsteknikker, såsom Raman-spektrometri eller røntgendiffraktion, at få yderligere indsigt i dynamikken i SWCNT -dannelse. De forventer også, at fremgangsmåden kan anvendes på andre systemer, der involverer katalytiske reaktioner med produktionsaflejring.

© 2013 Phys.org