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日本科学家使“碳纳米管森林”生长到了前所未有的高度
2020年11月11日 发布 分类:技术前沿 点击量:225
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碳纳米管是一种新型的碳结构材料,1991 年由日本电子公司(NEC)的饭岛博士发现。其微观外形是同轴圆管,管壁为数层呈正六边形结构的碳原子,具有质量轻、导热性强等众多优点,引领了光学、电子、水净化和药物输送等不同领域的技术创新。

碳纳米管

不过,为了满足不断增长的工业需求,碳纳米管的产量需要不断升级,这也是碳纳米管应用面临的主要挑战之一。虽然科学家们已经能够培育出长度约50厘米的单根碳纳米管,但他们在尝试“种植”碳纳米管阵列(碳纳米管森林,后文简称碳管森林)时,碳管长度最多只能达到2厘米左右。其原因在于对碳纳米管生长起到关键作用的催化剂很容易失活或耗尽。这不仅推高了碳纳米管的生产成本,还限制了其工业应用。

不过据phys.org网站当地时间11月4日的报道称,有日本科学家提出了一种制造碳纳米管的新策略。利用这一革新方法,研究人员培育出的碳纳米管森林创造了新的“长度”纪录——约14厘米,是现有碳纳米管森林的7倍左右。

碳纳米管

日本早稻田大学助理教授、团队负责人Hisashi Sugime解释说:“在传统制造工艺中,碳纳米管由于催化剂的结构变化逐渐停止增长。我们专注于这一问题,开发了一种能够抑制这种结构变化的新技术,延长了碳管森林的生长时间。”

该团队首先在传统的铁铝氧化物(Fe/Al2Ox)催化剂上加了一层钆(Gd),涂在硅基底上。这个Gd层在一定程度上防止了催化剂的劣化,使森林的长度可以长到5厘米左右。

为了进一步防止催化剂变质,该团队将催化剂放在他们原来的名为冷气化学气相沉积(CVD)反应室中,将其加热到750℃,并向其提供低浓度(ppm级)的铁、铝蒸汽。这使催化剂持续了26个小时,在这段时间里,密集的CNT森林可以长到14厘米。处理后的催化剂能够在26小时内保持高度活性,在这段时间内,密集的碳管森林足以达到14厘米长。结果表明,这些CNT的纯度很高,有很强的竞争力。

这一成果不仅克服了CNTs广泛工业应用的障碍,而且打开了纳米科学研究的大门。“这种简单而新颖的方法,通过提供ppm级蒸汽源大幅延长催化剂寿命,对石油化学和纳米材料晶体生长等其他领域的催化剂工程具有深刻的意义,”Sugime说。

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