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食品室成分可以帮助生长碳纳米管

2019-06-10 15:24
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  麻省理工学院的研究人员发现,小苏打,食盐和洗涤剂是烹饪碳纳米管的有效成分。

  在本周的杂志上发表的一项研究应用化学,小组报告说,在普通家用成分发现含有钠的化合物能催化生长碳 纳米管或碳纳米管,比传统的催化剂需要温度低得多。

  研究人员表示,钠可能使碳纳米管在一系列低温材料上生长,例如聚合物,这些材料通常在传统CNT生长所需的高温下熔化。

  “在航空航天复合材料中,有许多聚合物将碳纤维固定在一起,现在我们可以在聚合物材料上直接生长碳纳米管,以制造更坚固,更坚韧,更坚硬的复合材料,”该研究的主要作者,理查德李说。麻省理工学院航空航天系的研究生。“使用钠作为催化剂确实解锁了可以生长纳米管的各种表面。”

  在显微镜下,碳纳米管类似于鸡丝的空心圆柱体。每个管由六角形排列的碳原子的卷起格子制成。碳原子之间的键非常强,并且当图案化成晶格(例如石墨烯)或作为管(例如CNT)时,这种结构可具有优异的刚度和强度,以及独特的电学和化学性质。因此,研究人员已经探索了用CNT涂覆各种表面,以生产更坚固,更坚硬,更坚韧的材料。

  研究人员通常通过称为化学气相沉积的过程在各种材料上生长CNT。将感兴趣的材料(例如碳纤维)涂覆在催化剂(通常是铁基化合物)中并放入炉中,二氧化碳和其它含碳气体通过该炉流动。在高达800摄氏度的温度下,铁开始从气体中吸收碳原子,气体在铁原子上相互辉映,最终在各个碳纤维周围形成垂直的碳原子管。然后研究人员使用各种技术溶解催化剂,留下纯碳纳米管。

  Li和他的同事正在试验通过用不同的含铁化合物溶液涂覆CNT在各种表面上生长的方法,当团队发现碳纳米管看起来与他们的预期不同时。

  “管子看起来有点滑稽,Rich和团队小心翼翼地将洋葱剥了回去,结果发现少量的钠,我们怀疑它是不活跃的,实际上是导致所有的增长,”Wardle说。

  在大多数情况下,铁一直是生长碳纳米管的传统催化剂。沃德尔说,这是研究人员第一次看到钠有类似的效果。

  “还没有研究过钠和其他碱金属的CNT催化作用,”沃德尔说。“这项工作使我们进入了元素周期表的不同部分。”

  为了确保他们的初步观察不仅仅是侥幸,该团队测试了一系列含钠化合物。他们最初尝试使用商业级钠,以小苏打,食盐和洗涤剂颗粒的形式,从校园便利店获得。然而,最终,他们升级为这些化合物的纯化形式,它们溶解在水中。然后,他们将碳纤维浸入每种化合物的溶液中,用钠涂覆整个表面。最后,他们将材料放入炉中并进行化学气相沉积过程中涉及的典型步骤以生长CNT。

  一般来说,他们发现,虽然铁催化剂在大约800摄氏度下形成碳纳米管,但钠催化剂能够在更低的温度下形成短而密集的碳纳米管森林,大约480摄氏度。此外,在表面花费大约15摄氏度之后在炉中30分钟后,钠被简单地蒸发掉,留下空心碳纳米管。

  “CNT研究的很大一部分不是培育它们,而是通过清洁它们 - 抓住用于将它们从产品中生长出来的不同金属,”Wardle说。“钠的整洁之处在于,我们可以加热它并去除它,并获得纯CNT作为产品,这是传统催化剂无法做到的。”

  李说,未来的工作可能集中在提高使用钠催化剂生长的碳纳米管的质量。研究人员观察到,虽然钠能够产生碳纳米管的森林,但是管壁并没有完美地对齐成完美的六边形图案 - 晶体状结构,使CNT具有其特有的强度。Li计划在CVD工艺中“调整各种旋钮”,改变时间,温度和环境条件,以提高钠生长CNT的质量。

  “你仍然可以使用很多变量,钠与传统催化剂仍能很好地竞争,”李说。“我们预计使用钠,未来可以获得高质量的管材。我们非常有信心,即使您使用常规的Arm and Hammer小苏打,也应该有效。”

  对于东京大学机械工程系教授Shigeo Maruyama来说,用钠等常见成分烹饪碳纳米管的能力应该能够揭示出异常强大材料生长方式的新见解。

  “我们可以从食盐中种植碳纳米管,这是一个惊喜!” Maruyama说,他没有参与这项研究。“尽管碳纳米管的化学气相沉积(CVD)生长已经研究了20多年,但没有人尝试过使用碱金属作为催化剂。这将对全面了解碳纳米管的生长机制提供一个很好的线索。 “。



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