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催化剂对碳纳米管有多重要?
发布时间:2022-05-06 17:45:31
碳纳米管的制备方法有很多种:电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法(CVD)、固相热解法等。其中化学气相沉积法在碳纳米管的结构与形貌控制、特定取向生长、宏观体制备及批量制备等方面具有独特的优势。而化学气相沉积法中生长碳纳米管时,催化剂显然是必不可少的。近年来,随着人们对碳纳米管结构可控制备提出的要求,对催化剂的要求也越来越高。
催化剂金属原子与碳原子之间的相互作用力、催化剂的存在形态、催化剂的催化性能等都对碳纳米管具体的形成结构产生很大的影响。在碳纳米管的生长过程中,能否保持其开口端(与金属催化剂相接触的一端)的稳定性直接影响了碳纳米管的结构和长度。
金属催化剂与碳纳米管之间不同的作用力导致的碳纳米管进行生长的三种不同情况
当碳原子在金属催化剂表面不断析出形成碳纳米管时,新生成的底层碳原子存在悬挂键,由于悬挂键的不稳定性,导致碳纳米管末端有自动闭合形成帽状结构封口的趋势(图中c所示形状)。
如果金属催化剂原子与碳原子之间相互作用力很弱,不足以克服碳原子悬挂键自动闭合的趋势,碳纳米管与催化剂相接触的这一端就会很容易闭合,导致碳纳米管停止生长,并且这种碳纳米管还会存在很多缺陷。上图所示a→b→c即这个过程。
如果金属催化剂与碳原子之间的结合力适中,与碳原子悬挂键自动闭合的作用力可以达到平衡,那碳纳米管与催化剂相连的开口则能很稳定地存在,随着碳原子不断供给,碳纳米管长度将不断增长且管径保持不变。上图所示a→d即这个过程。
如果金属催化剂原子与碳原子之间的作用力过大时,由于碳原子在催化剂表面的浸润性较好,碳纳米管的开口端就会沿着催化剂表面延展生长,表象上看就是谈纳米管的管径存在被拉大的现象。这种情况下生长的碳纳米管的管径会随着碳纳米管长度的增加而增大,直到与金属催化剂的直径相当。上图所示a→e→f即这个过程。
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