(a) Kolnanorör (CNT) kan ses som enatomslager tjocka grafenark rullade till en cylinder. Olika riktningar av rullning bestämmer CNTs egenskaper. (b) Schematiskt diagram som visar ett kolnanorörs livslängd under kemisk ångavsättningssyntes. Övergångsmetaller (blå struktur) fungerar som katalysatorer, avgörande för att förlänga CNT (vänster), tills kolkoncentrationen på katalysatorytan blir så riklig att nanopartikeln blir inkapslad av grafitiskt eller amorft kol, bildar ett "lock" i slutet av cylindern och avslutar tillväxten av CNT (höger). (c) Omgivningstransmissionselektronmikroskopbilder av en CNT tagna vid olika tidpunkter under tillväxten. CNT innehåller en koboltnanopartikel på sin övre ände, ett typiskt kännetecken för spetstillväxt. Kredit:IBS
I en nyligen publicerad tidning i Vetenskapens framsteg , Feng Ding från Center for Multidimensional Carbon Materials och kollegor har uppnått skapandet av en specifik typ av kolnanorör (CNT) med en selektivitet på 90 procent, och utökade den nuvarande teorin som förklarar syntesen av dessa lovande nanocylindrar.
CNT:er är otroligt starka och lätta nanomaterial gjorda av kol med överlägsen strömkapacitet och mycket hög värmeledningsförmåga, vilket gör dem idealiska för elektroniska applikationer. Även om CNT anses vara några av de mest intressanta materialen för framtiden, forskare kämpar fortfarande för sin kontrollerbara syntes.
Formen på CNT kan jämföras med pappersrör - precis som en cylinder kan skapas genom att rulla ett pappersark, så CNT kan föreställas som ett enda lager grafit rullat upp på sig själv. Olika formade rör kan tillverkas genom att rulla ett papper runt dess långsida, dess kortsida, eller diagonalt i vinklar. Beroende på rullriktningen, ett grafitskikt kan producera olika CNT-strukturer, vissa är ledande och andra är halvledande; Således, att selektivt skapa en specifik typ av CNT kommer att vara nyckeln för framtida applikationer, som energieffektiva datorchips. Dock, CNT produceras inte genom rullning, men växer nanometer för nanometer, lägga till kol vid kanten av nanocylindrar, en atom i taget. Dock, hittills, förståelsen för CNT-tillväxt är fortfarande mycket begränsad och rationell experimentell design för tillväxt av specifika typer av CNT är utmanande.
En av de mest lovande tillverkningsmetoderna för CNT är kemisk ångdeposition (CVD). I denna process, metallnanopartiklar i kombination med kolhaltiga gaser bildar CNTs inuti en högtemperaturugn. På spetsen av rören, metallnanopartiklarna spelar en avgörande roll som katalysatorer:de dissocierar kolkällan från gaserna, och hjälpa till att fästa dessa kolatomer till CNT-väggen, gör rören längre. Tillväxten av CNT upphör när katalysatorpartikeln är inkapslad av grafitiskt eller amorft kol.
Kolatomer sätts in på gränsytan mellan en växande CNT och en katalysatornanopartikel på aktiva platser på kanten, och är tillgängliga för att införliva nya atomer. En tidigare modell av CNT-tillväxthastigheten visade att den senare är proportionell mot tätheten av dessa aktiva platser vid gränsytan mellan CNT och katalysatorn, eller den specifika strukturen för CNT.
Modellen för tillväxt av kolnanorör (CNT) i (a) närvaro och (b) frånvaro av tillräckligt med etsmedel. I (a) tas de flesta dissocierade kolatomer bort från katalysatorytan av etsningsmedel och CNT-tillväxten kommer att bero på antalet aktiva ställen (röda trianglar) eller strukturen hos CNT. I B), i frånvaro av etsningsmedel, varje nedbruten kolatom måste vara en del av CNT, och därför, antalet aktiva platser eller strukturen på CNT har ingen inverkan på tillväxthastigheten, men kommer att påverka varaktigheten av CNT:s tillväxt. Kredit:IBS
I den här studien, forskarna övervakade den stadiga tillväxten av CNT på ett magnesiumoxid (MgO) stöd med kolmonoxid (CO) som kolråvara och koboltnanopartiklar som katalysatorer vid 700 grader C. De direkta experimentella mätningarna av 16 CNT visade hur man kunde utöka den tidigare teorin . "Det var förvånande att tillväxthastigheten för ett kolnanorör bara beror på storleken på katalysatorpartikeln. Detta antyder att vår tidigare förståelse av kolnanorörstillväxt inte var fullständig, " säger Maoshuai He, tidningens första författare.
Mer specifikt, kolatomer som avsätts på katalysatorpartikelytan kan antingen införlivas på den aktiva sidan av CNT eller avlägsnas med etsningsmedel, såsom H 2 , H 2 O, O 2 , eller CO 2 . För att förklara de nya experimentella observationerna, teamet inkluderade effekterna av kolinförande och avlägsnande under CNT-tillväxt och upptäckte att tillväxthastigheten beror på katalysatorns ytarea och rördiameterförhållande.
"Jämfört med den tidigare modellen, vi lade till ytterligare tre faktorer:graden av prekursoravsättning, hastigheten för avlägsnande av kol genom etsningsmedel, och hastigheten för kolinförande i en kolnanorörvägg. När utgångsmaterialens dissociation inte kan balanseras genom koletsning, takten för kolnanorörets tillväxt kommer inte längre att bero på kolnanorörets struktur. Å andra sidan, den tidigare teorin är fortfarande giltig om etsningen dominerar, " förklarar Ding, en gruppledare för Center for Multidimensional Carbon Materials.
Intressant, den nya teorin om CNT-tillväxt leder till en ny mekanism för att selektivt odla en specifik typ av CNT, betecknas som (2n, n) CNT, vilket kännetecknas av det maximala antalet aktiva ställen vid gränsytan mellan CNT och katalysatorn. Denna CNT-struktur skulle motsvara att rulla ett ark grafit diagonalt i en vinkel på cirka 19 grader.
"Om det inte finns någon koletsning och kolnanorörstillväxten är långsam, kolatomer på katalysatorytan kommer att ackumuleras, säger Jin Zhang, medförfattare till studien och professor vid Peking University, Kina. "Detta kan leda till bildandet av grafitiskt eller amorft kol, som är etablerade mekanismer för att avbryta tillväxten av kolnanorör. I detta fall, endast kolnanorör som kan lägga till kolatomer på sina väggar - det vill säga, med det högsta antalet aktiva webbplatser – kan överleva."
Styrd av den nya teoretiska förståelsen, forskarna kunde designa experiment som producerade (2n, n) CNT med en selektivitet på upp till 90 procent:den högsta selektiva tillväxten av denna typ av CNT uppnåddes i frånvaro av något etsningsmedel och med en hög råvarukoncentration.
