Dyrkning af kulstof nanorør med det rigtige twist

I et nyligt offentliggjort papir i Videnskabens fremskridt , Feng Ding fra Center for Multidimensionale kulstofmaterialer og kolleger har opnået oprettelsen af ​​en bestemt type kulstofnanorør (CNT'er) med en selektivitet på 90 procent, og udvidede den nuværende teori, der forklarer syntesen af ​​disse lovende nanocylindre.

CNT'er er utroligt stærke og lette nanomaterialer lavet af kulstof med overlegen strømbærende kapacitet og meget høj varmeledningsevne, hvilket gør dem ideelle til elektroniske applikationer. Selvom CNT'er betragtes som nogle af de mest interessante materialer for fremtiden, videnskabsmænd kæmper stadig for deres kontrollerbare syntese.

Formen af ​​CNT'er kan sammenlignes med papirrør - ligesom en cylinder kan skabes ved at rulle et ark papir, så CNT'er kan forestilles som et enkelt lag grafit rullet op på sig selv. Forskelligt formede rør kan fremstilles ved at rulle et papir rundt om dets lange side, dens korte side, eller diagonalt i vinkler. Afhængig af rulleretningen, et grafitlag kan producere forskellige CNT-strukturer, nogle er ledende og andre er halvledende; dermed, selektiv oprettelse af en specifik type CNT vil være nøglen til fremtidige applikationer, såsom energieffektive computerchips. Imidlertid, CNT'er produceres ikke ved rulning, men vokser nanometer for nanometer, tilføje kulstof ved kanten af ​​nanocylindre, et atom ad gangen. Imidlertid, til dato, forståelsen for CNT -vækst er stadig meget begrænset, og rationelt eksperimentelt design til vækst af bestemte typer CNT'er er udfordrende.

En af de mest lovende fremstillingsmetoder for CNT'er er kemisk dampaflejring (CVD). I denne proces, metalnanopartikler kombineret med kulstofholdige gasser danner CNT'er inde i en højtemperaturovn. På spidsen af ​​rørene, metal nanopartikler spiller en kritisk rolle som katalysatorer:De adskiller kulkilden fra gasserne, og assistere vedhæftningen af ​​disse carbonatomer til CNT-væggen, gør rørene længere. Væksten af ​​CNT stopper, når katalysatorpartiklen er indkapslet af grafitisk eller amorft kulstof.

Kulstofatomer indsættes på grænsefladen mellem en voksende CNT og en katalysatornanopartikel i aktive steder på kanten, og er tilgængelige for at inkorporere nye atomer. En tidligere model af CNT-væksthastigheden viste, at sidstnævnte er proportional med tætheden af ​​disse aktive steder ved grænsefladen mellem CNT og katalysatoren, eller den specifikke struktur af CNT.

I dette studie, forskerne overvågede den konstante vækst af CNT'er på en magnesiumoxid (MgO) støtte med carbonmonoxid (CO) som kulstofråstoffet og koboltnanopartikler som katalysatorer ved 700 grader C. De direkte eksperimentelle målinger af 16 CNT'er viste, hvordan man kunne udvide den tidligere teori . "Det var overraskende, at væksthastigheden af ​​et kulstofnanorør kun afhænger af størrelsen af ​​katalysatorpartiklen. Dette indebærer, at vores tidligere forståelse af kulstofnanorørvækst ikke var fuldstændig, "siger Maoshuai He, avisens første forfatter.

Mere specifikt, carbonatomer, der er aflejret på katalysatorpartikeloverfladen, kan enten inkorporeres på den aktive side af CNT eller fjernes med ætsemidler, såsom H ₂ , H ₂ Åh, O ₂ , eller CO ₂ . For at forklare de nye eksperimentelle observationer, holdet inkluderede virkningerne af kulstofindsættelse og -fjernelse under CNT-vækst og opdagede, at væksthastigheden afhænger af katalysatorens overfladeareal og rørdiameterforhold.

"Sammenlignet med den tidligere model, vi tilføjede yderligere tre faktorer:hastigheden af ​​prækursoraflejring, hastigheden for fjernelse af kulstof ved hjælp af ætsemidler, og hastigheden af ​​kulstofindsættelse i en kulstofnanorørvæg. Når råstoffets dissociation ikke kan afbalanceres ved carbonætsning, hastigheden af ​​carbon nanorør vækst vil ikke længere afhænge af strukturen af ​​carbon nanorør. På den anden side, den tidligere teori er stadig gyldig, hvis ætsningen er dominerende, " forklarer Ding, en gruppeleder af Center for Multidimensional Carbon Materials.

Interessant nok, den nye teori om CNT-vækst fører til en ny mekanisme til selektivt at dyrke en specifik type CNT'er, angivet som (2n, n) CNT'er, som er karakteriseret ved det maksimale antal aktive steder ved grænsefladen mellem CNT'en og katalysatoren. Denne CNT-struktur ville svare til at rulle et ark grafit diagonalt i en vinkel på omkring 19 grader.

"Hvis der ikke er nogen kulstofætsning, og kulstofnanorørvæksten er langsom, kulstofatomer på katalysatoroverfladen vil akkumulere, " siger Jin Zhang, medforfatter til undersøgelsen og professor ved Peking University, Kina. "Dette kan føre til dannelse af grafitisk eller amorft carbon, som er etablerede mekanismer for kulstofnanorørs vækstterminering. I dette tilfælde, kun kulstof nanorør, der er i stand til at tilføje kulstofatomer på deres vægge - dvs. med det højeste antal aktive websteder – kan overleve."

Styret af den nye teoretiske forståelse, forskerne var i stand til at designe eksperimenter, der producerede (2n, n) CNT'er med en selektivitet på op til 90 procent:Den højeste selektive vækst af denne type CNT blev opnået i fravær af ethvert ætsemiddel og med en høj råmaterialekoncentration.