Автор: AZoNano [16459009][19459][19459[19459][1945]

Исследователи успешно разработали определенный тип углеродных нанотрубок (УНТ), которые имеют селективность 90%, и расширили существующую теорию, описывающую синтез этих потенциальных наноцилиндров. Это исследование было недавно опубликовано в журнале Science Advances .

Исследование было проведено Фэн Дином из Центра многомерных углеродных материалов при Институте фундаментальных наук (IBS, Южная Корея) и соавторами.

УНТ представляют собой удивительно легкие, но прочные наноматериалы, состоящие из углерода. Этот углерод обладает чрезвычайно высокой теплопроводностью и отличной пропускной способностью по току, что в совокупности делает УНТ пригодными для использования в электронике.

Хотя УНТ считаются одними из самых интересных материалов для будущего, их управляемый синтез все еще представляет собой серьезную проблему для исследователей. Форму УНТ можно сравнить с бумажными трубками – точно так же, как при изготовлении бумажного листа получается цилиндр, УНТ можно представить как один слой графита, свернутый на себя.

Аналогичным образом можно создавать разные трубки, катая лист бумаги вокруг своей короткой стороны, длинной стороны или по диагонали под разными углами. Исходя из направления прокатки, слой графита может создавать различные структуры УНТ, где некоторые являются полупроводниковыми, а другие проводят.

Следовательно, выборочное производство определенного типа УНТ будет иметь решающее значение для их будущих приложений, таких как создание компьютерных чипов, которые являются энергоэффективными.

Тем не менее, УНТ не создаются методом прокатки, а вместо этого, они растут нанометр за нанометром, в то время как углерод одновременно вводится на границу наноцилиндров, по одному атому за раз.

За последние 30 лет были проведены многочисленные исследования, чтобы выяснить рост УНТ, но это понимание остается чрезвычайно ограниченным, и практический экспериментальный дизайн для роста определенных типов УНТ также очень труден.

Химическое осаждение из паровой фазы (ХОПФ) является одним из наиболее потенциальных методов производства, разработанных для УНТ. Этот процесс включает в себя объединение металлических наночастиц с углеродсодержащими газами с образованием УНТ в высокотемпературной печи.

Эти металлические наночастицы играют главную роль в качестве катализаторов на кончике УНТ – наночастицы отделяют источник углерода от углеродсодержащих газов и помогают связывать эти атомы углерода со стенкой УНТ, делая трубки все более и более дольше. Когда частица катализатора покрыта аморфным углеродом или графитом, рост УНТ немедленно прекращается.

Атомы углерода встроены в поверхность раздела между наночастицей катализатора и растущей УНТ, в активных местах обода, и доступны для включения новых атомов. Более ранняя модель скорости роста УНТ продемонстрировала, что первая пропорциональна плотности активных центров на границе раздела УНТ-катализатор или конкретной структуре УНТ.

В этом анализе ученые отслеживали стабильный рост УНТ на подложке из оксида магния (MgO) с наночастицами кобальта в качестве катализаторов и монооксидом углерода (CO) в качестве углеродного сырья при 700 ° C. Расширение ранней теории было продемонстрировано путем прямых экспериментальных измерений 16 УНТ.

Удивительно, что скорость роста углеродных нанотрубок зависит только от размера частицы катализатора. Это подразумевает, что наше предыдущее понимание роста углеродных нанотрубок не было полным .

Маошуай Хэ, первый автор исследования, Институт фундаментальных наук

В частности, атомы углерода, осажденные на поверхности частиц катализатора, могут быть удалены с помощью травителей, таких как СО ₂ О ₂ Н ₂ O, или H ₂ или встроенный в активную сторону CNT.

Чтобы описать последние экспериментальные наблюдения, исследователи включили влияние введения и удаления углерода во время роста УНТ и обнаружили, что скорость роста зависит от диаметра трубки и отношения площади поверхности катализатора.

По сравнению с предыдущей моделью мы добавили еще три фактора: скорость осаждения предшественника, скорость удаления углерода травильными агентами и скорость введения углерода в стенку углеродных нанотрубок. Когда диссоциация сырья не может быть сбалансирована травлением углеродом, скорость роста углеродных нанотрубок больше не будет зависеть от структуры углеродных нанотрубок. С другой стороны, предыдущая теория остается в силе, если травление доминирует .

Фен Дин, руководитель группы, Центр многомерных углеродных материалов, Институт фундаментальных наук

Интересно, что новейшая концепция роста УНТ привела к новому механизму селективного роста УНТ определенного типа, представленного как (2n, n) УНТ, характеризующегося наибольшим числом активных центров, присутствующих на границе раздела УНТ-катализатор. Эта структура УНТ будет относиться к прокатке графитового листа по диагонали под углом около 19 °.

Если углеродного травления нет и рост углеродных нанотрубок происходит медленно, на поверхности катализатора будут накапливаться атомы углерода. Это может привести к образованию графитового или аморфного углерода, которые устанавливают механизмы прекращения роста углеродных нанотрубок. В этом случае выживают только углеродные нанотрубки, способные добавлять атомы углерода на их стенках, то есть с наибольшим числом активных центров .

Цзинь Чжан, соавтор исследования и профессор Пекинского университета, Китай

В соответствии с последней теоретической интерпретацией, ученые успешно разработали эксперименты, в которых были получены (2n, n) УНТ с селективностью до 90%: максимальный селективный рост этого вида УНТ был достигнут с высокой концентрацией сырья и без с использованием любого травителя.

Источник: https://www.ibs.re.kr/