Hvorfor er nanopartikler af legeret metal bedre end monometalliske til CNT-vækst?

Forskere ved Center for Multidimensional Carbon Materials, inden for Institut for Grundvidenskab (IBS, Sydkorea), har præsenteret en teoretisk løsning på et langvarigt mysterium om kulstofnanorør (CNT) vækst. Udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve , denne undersøgelse forklarer, hvorfor nanopartikler fremstillet med en legering af metaller hjælper med at syntetisere længere CNT'er sammenlignet med konventionelle monometalliske katalysatorer.

CNT'er er rørformede nanostrukturer lavet af kulstofatomer med spændende potentielle egenskaber, der har holdt forskere på udkig efter nye fremskridt. En af de mest almindelige metoder til at producere CNT'er involverer katalysatornanopartikler, som har den funktion at lette tilsætningen af ​​kulstofatomer fra precursormolekyler til cylindrenes vægge. Det er almindeligt kendt på området, at legeringskatalysatorer, ligesom Ni-Y, Fe-Mo, Cu-Ni, og Co-Mo, overgå andre enkeltmetalkatalysatorer, men årsagen har været uklar.

IBS-forskere udførte en systematisk simulering af molekylær dynamik for at udforske legeringskatalysatorers rolle i CNT-vækst. "I en simulering af molekylær dynamik, bevægelsen af ​​hvert atom kan tydeligt ses og, derfor, variationen i formen og strukturen af ​​katalysatorpartiklen under kulstofnanorørets vækst kan registreres præcist. Dette giver os mulighed for at gå ud over kapaciteten af ​​de bedste eksperimentelle metoder, " forklarer Feng Ding, en gruppeleder af centret og tilsvarende forfatter til undersøgelsen.

Gennem de molekylær dynamiske simuleringer, forfatterne har fundet ud af, at legeringens to metaller er rumligt adskilt ved rørkanten:CNT'er har en tendens til at tiltrække de mere aktive metalatomer til cylinderens åbne ende (vækstfront), hvor kulstofatomer indsættes i CNT -væggen under vækst, mens de mindre aktive metalatomer skubbes over. Flere simuleringer viser, at dette er et generelt fænomen og kan anvendes på mange typer legeringskatalysatorer.

IBS-forskere har også påvist, at legeringskatalysatorer vinder over monometalliske nanopartikler, fordi de aktive metalatomer nær kanten af ​​CNT lettere fanger kulstofatomerne end de mindre aktive. Dette vil føre til en større kulstofkoncentration på det nærliggende sted af CNT-vækstfronten og en hurtig tilføjelse af kulstofatomer, som bidrager til den hurtige vækst af CNT.

Da carbonatomerne kontinuerligt er inkorporeret i de voksende CNT'er, kulstofprækursorerne akkumuleres ikke omkring legeringsnanopartiklerne. Dette forhindrer dannelsen af ​​en hætte lavet af carbonatomer, der opsluger hele nanopartiklen.

"Denne teoretiske undersøgelse behandler et langsigtet puslespil om legeringskatalysatorernes rolle i kulstofnanorørvækst. Det afslører fordelen ved at bruge legeringskatalysatorer i kulstofnanorørvækst, og den kontaktinducerede faseadskillelse af legeringskatalysatoren kan betragtes som en generel regel for at vejlede katalysatordesign for kontrollerbar kulstofnanorørvækst, " siger Lu Qiu, undersøgelsens første forfatter.