In een onlangs gepubliceerd artikel in wetenschappelijke vooruitgang , Feng Ding van het Center for Multidimensional Carbon Materials en collega's hebben de creatie van een specifiek type koolstofnanobuisjes (CNT's) bereikt met een selectiviteit van 90 procent, en breidde de huidige theorie uit die de synthese van deze veelbelovende nanocilinders verklaart.

CNT's zijn ongelooflijk sterke en lichte nanomaterialen gemaakt van koolstof met een superieure stroomcapaciteit en een zeer hoge thermische geleidbaarheid, waardoor ze ideaal zijn voor elektronische toepassingen. Hoewel CNT's worden beschouwd als een van de meest interessante materialen voor de toekomst, wetenschappers worstelen nog steeds met hun beheersbare synthese.

De vorm van CNT's kan worden vergeleken met papieren buizen - net zoals een cilinder kan worden gemaakt door een vel papier te rollen, dus CNT's kunnen worden voorgesteld als een enkele laag grafiet die op zichzelf is opgerold. Verschillend gevormde buizen kunnen worden geproduceerd door een papier rond de lange zijde te rollen, zijn korte kant, of diagonaal in hoeken. Afhankelijk van de rolrichting, een grafietlaag kan verschillende CNT-structuren produceren, sommige zijn geleidend en andere zijn halfgeleidend; dus, het selectief creëren van een specifiek type CNT zal de sleutel zijn voor toekomstige toepassingen, zoals energiezuinige computerchips. Echter, CNT's worden niet geproduceerd door te walsen, maar nanometer voor nanometer groeien, koolstof toevoegen aan de rand van nanocilinders, één atoom tegelijk. Echter, daten, het begrip over CNT-groei blijft zeer beperkt en rationeel experimenteel ontwerp voor de groei van specifieke soorten CNT's is een uitdaging.

Een van de meest veelbelovende productiemethoden voor CNT's is chemische dampafzetting (CVD). In dit proces, metalen nanodeeltjes gecombineerd met koolstofhoudende gassen vormen CNT's in een hoge-temperatuuroven. Op de punt van de buizen, de metalen nanodeeltjes spelen een cruciale rol als katalysator:ze scheiden de koolstofbron van de gassen, en helpen bij de bevestiging van deze koolstofatomen aan de CNT-wand, waardoor de buizen langer worden. De groei van de CNT stopt zodra het katalysatordeeltje is ingekapseld door grafiet of amorf koolstof.

Koolstofatomen worden ingebracht op het grensvlak tussen een groeiend CNT en een katalysator-nanodeeltje op actieve plaatsen van de rand, en zijn beschikbaar om nieuwe atomen op te nemen. Een eerder model van de CNT-groeisnelheid toonde aan dat deze laatste evenredig is met de dichtheid van deze actieve plaatsen op het grensvlak tussen CNT en de katalysator, of de specifieke structuur van de CNT.

In dit onderzoek, de onderzoekers volgden de gestage groei van CNT's op een magnesiumoxide (MgO) drager met koolmonoxide (CO) als de koolstofgrondstof en kobaltnanodeeltjes als katalysatoren bij 700 graden C. De directe experimentele metingen van 16 CNT's lieten zien hoe de vorige theorie kon worden uitgebreid . "Het was verrassend dat de groeisnelheid van koolstofnanobuisjes alleen afhangt van de grootte van het katalysatordeeltje. Dit houdt in dat ons eerdere begrip van de groei van koolstofnanobuisjes niet compleet was, " zegt Maoshuai He, de eerste auteur van het artikel.

Specifieker, koolstofatomen die op het oppervlak van de katalysatordeeltjes worden afgezet, kunnen ofwel aan de actieve kant van de CNT worden opgenomen of door etsmiddelen worden verwijderd, zoals H ₂ , H ₂ O, O ₂ , of CO ₂ . Om de nieuwe experimentele waarnemingen te verklaren, het team omvatte de effecten van het inbrengen en verwijderen van koolstof tijdens CNT-groei en ontdekte dat de groeisnelheid afhangt van het oppervlak van de katalysator en de verhouding van de buisdiameter.

"Vergeleken met het vorige model, we hebben nog drie factoren toegevoegd:de snelheid van de afzetting van voorlopers, de snelheid van koolstofverwijdering door etsmiddelen, en de snelheid van het inbrengen van koolstof in een wand van een koolstofnanobuisje. Wanneer de dissociatie van grondstoffen niet kan worden gecompenseerd door koolstofetsen, de groeisnelheid van koolstof nanobuisjes zal niet langer afhangen van de structuur van de koolstof nanobuis. Anderzijds, de vorige theorie is nog steeds geldig als de ets domineert, " legt Ding uit, een groepsleider van het Center for Multidimensional Carbon Materials.

interessant, de nieuwe theorie van CNT-groei leidt tot een nieuw mechanisme om selectief een specifiek type CNT's te laten groeien, aangeduid als (2n, n) CNT's, die wordt gekenmerkt door het maximale aantal actieve plaatsen op het grensvlak tussen de CNT en de katalysator. Deze CNT-structuur zou overeenkomen met het diagonaal rollen van een vel grafiet onder een hoek van ongeveer 19 graden.

"Als er geen koolstof wordt geëtst en de koolstofnanobuisjes langzaam groeien, koolstofatomen op het katalysatoroppervlak zullen zich ophopen, " zegt Jin Zhang, co-auteur van de studie en professor aan de Universiteit van Peking, China. "Dit kan leiden tot de vorming van grafiet of amorf koolstof, die gevestigde mechanismen zijn voor het beëindigen van de groei van koolstof nanobuisjes. In dit geval, alleen koolstofnanobuizen die koolstofatomen aan hun wanden kunnen toevoegen - dat wil zeggen, met het hoogste aantal actieve sites, kunnen overleven."

Geleid door het nieuwe theoretische begrip, konden de onderzoekers experimenten ontwerpen die (2n, n) CNT's met een selectiviteit tot 90 procent:de hoogste selectieve groei van dit type CNT werd bereikt in afwezigheid van etsmiddel en met een hoge grondstofconcentratie.