近日，清華大學(xué)化工系副教授張如范報(bào)道了浮游雙金屬催化劑可以控制長(zhǎng)碳納米管的新方法，顯著提高了30厘米長(zhǎng)碳納米管的水平陣型產(chǎn)量和均勻性。

碳納米管是一維納米材料，具有優(yōu)異的熱、力和電磁性能，在碳基集成電路、超強(qiáng)超韌纖維、透明導(dǎo)電膜、軟可穿戴設(shè)備等尖端領(lǐng)域面臨著巨大的需求。但是，高級(jí)應(yīng)用對(duì)其長(zhǎng)度、取向、缺陷程度和純度都有嚴(yán)格的要求。在各種宏觀碳納米管組裝體中，只有遵循頂部生長(zhǎng)方式的超長(zhǎng)碳納米管才有望同時(shí)滿足這些要求，從而充分發(fā)揮碳納米管的優(yōu)異性能。

但長(zhǎng)碳納米管的生長(zhǎng)是數(shù)百億個(gè)原子的自組裝，條件苛刻，容錯(cuò)率低，導(dǎo)致產(chǎn)量低，陣型密度一般不到50個(gè)。 mm–第一，應(yīng)用開發(fā)過程受到嚴(yán)重限制。在初期基礎(chǔ)阻攔導(dǎo)向策略的基礎(chǔ)上，張如范研究組進(jìn)一步提出了浮游雙金屬催化劑（FBCs）原點(diǎn)氣合成方法(圖1)。該研究的特點(diǎn)是將二茂鐵和乙酰丙酮鹽同時(shí)放入反應(yīng)釜入口，分別作為鐵和二金屬前驅(qū)體。由于乙酰丙酮鹽種類繁多，具有易于提高的特點(diǎn)，從而為二元合金浮游催化劑的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。

研究發(fā)現(xiàn)，兩種前驅(qū)體在反應(yīng)釜入口處經(jīng)歷了升降、分解、聚合的過程，形成了FBCs納米顆粒，并隨著載氣不斷通入反應(yīng)釜。氮源在FBCs顆粒上裂化，生長(zhǎng)出漂浮在氣相中的碳納米管。根據(jù)基底阻擋導(dǎo)向策略的生長(zhǎng)原理，反應(yīng)釜中的基底邊緣可以阻擋這些漂浮在氣相中的碳納米管，并起到導(dǎo)向氣流生長(zhǎng)的作用，從而顯著提高長(zhǎng)碳納米管以“風(fēng)箏”的方式生長(zhǎng)的概率。超長(zhǎng)碳納米管水準(zhǔn)陣型采用FeCu催化劑生長(zhǎng)，在產(chǎn)量、陣型密度、均勻性等方面明顯優(yōu)于Fe催化劑。

圖1. 利用浮游雙金屬催化劑實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)碳納米管水準(zhǔn)陣型的高產(chǎn)率和高均勻性。

這個(gè)研究小組進(jìn)一步探討了FBCs催化劑的壽命和活性規(guī)律(圖2)。以較長(zhǎng)碳納米管陣型密度的半衰期作為催化劑壽命的描述符，以陣型的生長(zhǎng)速度作為催化劑活性的描述符，獲得相關(guān)圖片(圖2h)。在Cu含量為11.4%的情況下，F(xiàn)eCu催化劑的半衰期最長(zhǎng)(12.38%) mm），它是Fe催化劑的3.40倍，生長(zhǎng)速度接近Fe催化劑(2.240倍) mm min–1)，是提高碳納米管水平陣型產(chǎn)量和均勻性的關(guān)鍵。在升級(jí)環(huán)境下獲得的30 Cm高密度碳納米管水準(zhǔn)陣型，呈現(xiàn)出大規(guī)模均勻性的特點(diǎn)(圖3)。最高密度可達(dá)8100毫米–而且陣型密度在長(zhǎng)度方向上的衰減并不明顯。在長(zhǎng)度為30 在cm處，碳納米管的密度仍然達(dá)到90毫米。–第一，明顯優(yōu)于之前的報(bào)道。

圖2. 選擇和優(yōu)化浮游雙金屬催化劑

圖3. 30 Cm長(zhǎng)碳納米管水準(zhǔn)陣型的可控性

以上結(jié)果為基于浮游雙金屬催化劑的30 Cm長(zhǎng)碳納米管陣型的高產(chǎn)率和高均勻性制備”（Floating Bimetallic Catalysts for Growing 30 cm-Long Carbon Nanotube Arrays with High Yields and Uniformity）國際期刊《先進(jìn)材料》發(fā)表了問題（Advanced Materials）上，本文第一作者為2019年化工系直博生姜沁源，通訊作者為化工系副教授張如范。以上研究工作得到了國家自然科學(xué)基金和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202402257

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原題：超長(zhǎng)碳納米管u200b制備《復(fù)材信息》又一重大突破！

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