Forskare vid Center for Multidimensional Carbon Materials, inom Institutet för basvetenskap (IBS, Sydkorea), har presenterat en teoretisk lösning på ett långvarigt mysterium med tillväxt av kolnanorör (CNT). Publicerad i Fysiska granskningsbrev , den här studien förklarar varför nanopartiklar tillverkade av en legering av metaller hjälper till att syntetisera längre CNT jämfört med konventionella monometalliska katalysatorer.

CNT är rörformiga nanostrukturer gjorda av kolatomer med spännande potentiella egenskaper som har hållit forskare på jakt efter nya framsteg. En av de vanligaste metoderna för att producera CNT involverar katalysatornanopartiklar, som har funktionen att underlätta tillsatsen av kolatomer från prekursormolekyler till cylindrarnas väggar. Det är allmänt känt inom området att legeringskatalysatorer, som Ni-Y, Fe-Mo, Cu-Ni, och Co-Mo, överträffa andra enmetallkatalysatorer, men anledningen har varit oklar.

IBS-forskare genomförde en systematisk simulering av molekylär dynamik för att utforska rollen av legeringskatalysatorer i CNT-tillväxt. "I en simulering av molekylär dynamik, varje atoms rörelse kan tydligt ses och, därför, variationen av formen och strukturen hos katalysatorpartikeln under kolnanorörstillväxten kan registreras exakt. Detta gör att vi kan gå bortom kapaciteten hos de bästa experimentella metoderna, " förklarar Feng Ding, en gruppledare för centret och motsvarande författare till studien.

Genom molekylär dynamiska simuleringar, författarna har funnit att de två metallerna i legeringen är rumsligt åtskilda vid kanten av rören:CNT tenderar att locka de mer aktiva metallatomerna till den öppna änden av cylindrarna (tillväxtfronten), där kolatomer sätts in i CNT-väggen under tillväxt, medan de mindre aktiva metallatomerna skjuts ovanför. Fler simuleringar visar att detta är ett allmänt fenomen och kan tillämpas på många typer av legeringskatalysatorer.

IBS-forskare har också visat att legeringskatalysatorer vinner över monometalliska nanopartiklar eftersom de aktiva metallatomerna nära kanten av CNT fångar upp kolatomerna lättare än de mindre aktiva. Detta kommer att leda till en större kolkoncentration vid den närliggande platsen för CNT-tillväxtfronten och en snabb tillsats av kolatomer, som bidrar till den snabba tillväxten av CNT.

Eftersom kolatomerna kontinuerligt inkorporeras i de växande CNT, kolprekursorerna ackumuleras inte runt legeringsnanopartiklarna. Detta förhindrar bildandet av ett lock gjord av kolatomer som uppslukar hela nanopartikeln.

"Denna teoretiska studie tar upp ett långsiktigt pussel om legeringskatalysatorernas roll i kolnanorörstillväxt. Den avslöjar fördelen med att använda legeringskatalysatorer i kolnanorörstillväxt, och den kontaktinducerade fasseparationen av legeringskatalysatorn kan betraktas som en allmän regel för att styra katalysatordesign för kontrollerbar tillväxt av kolnanorör, " säger Lu Qiu, studiens första författare.