Af katalysatorer og chiralitet:Meget selektiv vækst af strukturspecifikke enkeltvæggede kulstofnanorør

(Phys.org) – Kulstof – det kemiske grundlag for alt kendt liv og et grundstof kendt så langt tilbage som det 8. århundrede f.Kr. – findes i en række former, eller allotroper , med bemærkelsesværdigt forskellige egenskaber. (Diamant, for eksempel, er gennemsigtigt og ekstremt hårdt tetraedrisk gitter, der leder elektricitet dårligt, men er en fremragende termisk leder. grafit, på den anden side – en moderat elektrisk leder – er en blød, sort, flaget fast stof dannet af plader af flade sekskantede gitter kendt som grafen .) Blandt kulstofs allotroper, kulstof nanorør er cylindriske grafen-baserede nanostrukturer med egenskaber centrale for mange områder af materialevidenskab og teknologi. I særdeleshed, enkeltvæggede kulstof nanorør (SWNT'er) er kulstof nanorør, hvis egenskaber ændres med deres chiralitet - det er, kulstofatomernes arrangementer, som er baseret på rørdiameter og indpakningsvinkel som specificeret af det, der er kendt som deres ( n, m ) værdi. Disse varianter opfører sig enten som elektriske ledere eller halvledere med forskellige båndgab (energiområdet i et fast stof, hvor ingen elektrontilstande kan eksistere), hvilket gør dem ekstremt ønskværdige til nanoelektronikapplikationer. Selvom denne egenskab afhænger af, at SWVT'erne alle er i chiral form eller den anden, det har historisk set været meget vanskeligt selektivt at dyrke én form alene, med den højeste selektivitet på 55 %, der opnås ved at bruge omhyggeligt udvalgte partikler som katalysatorer i den kemiske dampaflejringssyntesevækstproces. For nylig, imidlertid, forskere ved Peking Universitet, Beijing har brugt wolfram-baserede nanokrystaller af bimetalliske legeringer som katalysatorer til direkte at producere enkelt-kiralitet (dvs. enten venstre- eller højrehåndede) SWNT'er med en renhed på mere end 92 %. Ved at gøre det, siger forskerne, deres resultater satte scenen for fuldstændig kontrol over SWNT chiralitetsvækst, og derved yderligere SWNT applikationsudvikling.

Prof. Yan Li diskuterede det papir, hun og hendes medforfattere udgav i Natur med Phys.org . "Egenskaberne af SWNT'er er fuldstændig bestemt af deres struktur, eller chiralitet – og i mange applikationer, det kræves, at materialer har ensartede egenskaber, " Li fortæller Phys.org . Som et eksempel, hun siger, at når man bruger SWNT'er til at bygge felteffekttransistorer (FET'er), man har altid håbet, at alle SWNT'er har den samme struktur, derved udviser den samme præstation. "Imidlertid, " tilføjer Li, "Kiralitetsstyret vækst har været en stor udfordring på området i tyve år - men vi har udviklet en ny strategi for at realisere målet."

Li bemærker, at der er to faktorer, der er vigtige for at reducere legeringstemperaturen:wolfram- og koboltatomer, der allerede er godt blandet i forstadiet, og partiklerne er af nanoskala dimensioner. Derfor, deres strategi er baseret på en ny familie af katalysatorer - wolfram-baserede legeringsnanokatalysatorer - til vækst af kulstofnanorør. "Disse katalysatorer bevarer deres krystalliserede struktur under de meget høje temperaturer, der er nødvendige for kulstofnanorørs vækst, og udviser også en meget unik struktur, der fungerer som en carbon nanorørskabelon." Den wolframbaserede legering dannes ved ekstremt høj temperatur - normalt et godt stykke over 2000°C - hvilket kræver særlige faciliteter, da det er ekstremt vanskeligt at udføre denne procedure ved brug af standard laboratorieudstyr – og derudover, Li påpeger, det er svært at kontrollere størrelsen, struktur og morfologi af den resulterende legering under sådanne betingelser. "Vi brugte en precursor molekylær klynge† til at opnå wolfram-cobalt (W-Co) legerede nanopartikel nanokatalysatorer ved den moderate temperatur på ~1000°C, "Li siger, "hvilket gjorde SWNT-produktion meget lettere."

Nøglen til at løse denne to årtier gamle chiralitetskontrollerede SWNT-vækstudfordring var, enkelt sagt, en ny idé. "Selvom der er gjort en omfattende indsats for at udforske chiralitet-selektiv SWNT-vækst, ingen effektiv tilgang var blevet udviklet. Dette skyldes delvist, at vi ikke har tilstrækkelig indsigt i SWNT-vækstmekanismen, " forklarer hun. "Faktisk, det er ret svært at indsamle nok information in situ under nanorørets vækstproces – men det er netop denne information, der kan hjælpe os til at forstå mekanismen. drevet af min mere end ti års erfaring med SWNT-vækst, Jeg havde en ny idé om at bruge katalysatorer til at styre strukturen af ​​SWNT'er."

Mens forskere ihærdigt har undersøgt brugen af ​​katalysatorer til at skabeloner for SWNTs struktur - som det fremgår af de mange artikler, der er offentliggjort på dette område - har succes vist sig at være uhåndgribelig. "Det lykkedes, " tilføjer Li, "fordi vi har to væsentligt forskellige ideer – nemlig, vi erkendte, at katalysatorer med høje smeltepunkter er nødvendige for at bruge katalysatoren som strukturel skabelon; vi fandt den rigtige opskrift til at opnå katalysatorer med høje smeltepunkter; vi indså, at den unikke struktur af katalysatoren er afgørende for at opnå høj selektivitet og specificitet. I øvrigt, som uorganiske kemikere har vi længe kendt til molekylære klynger, deres egenskaber og hvordan man forbereder dem – så ideen om at bruge molekylære klynger som forløber for W-Co legeringsnanopartikler kom naturligt for os, hvilket resulterer i, at vi har designet den nye vej til fremstilling af W-Co legering nanopartikler."

I deres papir, forskerne siger, at siden brug af højtsmeltende legerede nanokrystaller med optimerede strukturer som katalysatorer beviseligt har muliggjort produktion af enkelt-chiralitets nanorør i en overflod af> 92 %, de forventer, at deres resultater vil bane vejen for total chiralitetskontrol i SWNT-vækst, derved fremme udviklingen af ​​SWNT-applikationer. "Baseret på vores forståelse af SWNT-vækstmekanismen og de eksperimentelle data, vi allerede har, "Li siger, "Vi er overbeviste om, at vores strategi med at dyrke SWNT'er med ønsket struktur og chiralitet ved hjælp af katalysatorer med designet struktur og høj stabilitet kan blive en standardtilgang." I øvrigt, wolfram, kobolt, jern, og nikkel er rigeligt, billige metaller, og deres kulstofkilde er ethanol, så produktionsomkostningerne kan være lave – en åbenlys fordel for fremtidig kommercialisering.

En af de mest spændende potentielle anvendelser er inden for elektronik. Li påpeger, at 2009 International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) valgte kulstofbaseret nanoelektronik – inklusive kulstofnanorør og grafen – som lovende teknologier rettet mod kommerciel demonstration i den næste 10-15 års horisont, og dermed modtage yderligere ressourcer og detaljeret vejkortlægning. "Til storstilet anvendelse af SWNT'er i nanoelektronik, "Li påpeger, "SWNT'er med identisk struktur ønskes. Vores metode til at dyrke SWNT'er med identisk struktur er derfor en meget vigtig del af udviklingen af ​​kulstof nanorør-baseret elektronik."

Med et andet eksempel, Li bemærker, at prof. Lianmao Peng og hans team har vist ¹ at SWNT'er kan bruges til at opnå effektiv fotospændingsmultiplikation i SWNT-baserede solceller. Hun bemærker, at strukturidentiske SWNT'er også kan bruges i sådanne enheder, så hvis nanorørene bruges, solceller med præcist justeret fotospænding kan fås. "Der er helt sikkert meget flere potentielle applikationer, " tilføjer Li. Nu har vi SWNT prøver med identisk struktur, vi kan udforske mere interessante egenskaber og mulige anvendelser, som vi aldrig før kunne forestille os."

Li nævner også deres brug af Vienna Ab-initio Simulation Package til selvkonsistente tæthedsfunktionelle teorisimuleringer. "Simulering giver indsigt, der ikke er let tilgængelig gennem eksperimentelle data alene. Det kan også hjælpe teoretikere til at forstå mekanismen i forskellige processer."

Bevæger sig fremad, Li siger, forskerne er fokuseret på tre nøgletrin:

• Design af flere katalysatorer til at producere SWNT'er med en bredere vifte af chiraliteter

• Yderligere optimering af processen for at forbedre chiralitetsselektiviteten, og derfor renhed

• Udforskning af massesyntese

Ud over deres eget felt, Li fortæller Phys.org , der er andre forskningsområder, der kan drage fordel af deres undersøgelse. "I legeringsmetallurgi, Vores idé om at bruge en speciel forløber til dramatisk at reducere legeringstemperaturen kan blive vedtaget, fordi det kan reducere energiforbruget bemærkelsesværdigt – og den lavere procestemperatur kan i høj grad lette materialer og styresystemers krav til produktionsapparater. Ud over, Brug af legeringskatalysatorer med unik struktur til at producere molekyler med en foruddesignet struktur kan bruges i vid udstrækning i kemisk syntese. Endelig, "Li konkluderer, "vores metoder til at karakterisere SWNT-kiralitetssammensætning kan bruges i grundlæggende kulstof-nanorørforskning."

© 2014 Phys.org