富含钠的家用成分帮助生长碳纳米管

食品盒成分有助于生长碳纳米管


新的麻省理工学院研究发现,含钠的化合物如含有洗涤剂,小苏打水和餐盐等常见家用成分中的那些,如常见的家用成分中发现的那些令人惊讶的有效成分。图片:Christine Daniloff,MIT

小苏打,餐饮和洗涤剂是烹饪碳纳米管的令人惊讶的有效成分,研究人员麻省理工学院已经发现。

在本周的一项研究中在Angewandte Chemie杂志发表中,该团队报告了常见家用成分中发现的含钠化合物能够催化碳纳米管或CNT的生长,比传统催化剂更低的温度。

研究人员说,钠可以使碳纳米管在诸如聚合物的宿主上生长,例如聚合物,其通常在传统CNT生长所需的高温下熔化。

“In aerospace composites, there are a lot of polymers that hold carbon fibers together, and now we may be able to directly grow CNTs on polymer materials, to make stronger, tougher, stiffer composites,” says Richard Li, the study’s lead author and a graduate student in MIT’s Department of Aeronautics and Astronautics. “Using sodium as a catalyst really unlocks the kinds of surfaces you can grow nanotubes on.”

李的麻省理工学院共同作者是Postdocs Erica Antunes,Estelle Kalfon-Cohen,Luiz Acauan和Kehang Cui;Alumni Akira Kudo Phd'16,Andrew Liotta'16,以及Ananth Govind Rajan Sm '16,Phd'19;化学工程教授Michael Strano,以及航空航天教授Brian Watchle,以及国家标准与技术研究所和哈佛大学的合作者。

剥洋葱

在显微镜下,碳纳米管类似于鸡丝的空心圆柱。每个管由卷起的六角形碳原子制成。碳原子之间的粘合非常强,当图案化成晶格时,例如石墨烯.,或作为管道,例如CNT,这种结构可以具有出色的刚度和强度,以及独特的电气和化学性质。因此,研究人员探索了用CNT涂覆各种表面,以产生更强的更硬,更严格的材料。

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。诸如碳纤维的感兴趣的材料涂覆在催化剂 - 通常是铁基化合物 - 并置于炉中,通过该炉子,二氧化碳和其他含碳气体流动。在高达800度的温度下科尔斯群岛,铁开始将碳原子从气体中汲取出来,使其粘在铁原子上并彼此相互粘合,最终形成各个碳纤维周围的碳原子的垂直管。然后研究人员使用各种技术来溶解催化剂,留下纯碳纳米管。

李和他的同事通过用不同的含铁化合物的溶液涂覆不同的含铁液,当团队注意到所需的碳纳米管看起来不同的碳纳米管与他们所预期的碳纳米管不同的方式来试验各种表面上的方法。

“这些管看起来有点搞笑,而且团队仔细地剥了洋葱后面,就像它一样,它令人害怕的钠是不活跃的,实际上造成了所有的增长,”温柔说。

调整钠​​的旋钮

在大多数情况下,铁一直是生长CNT的传统催化剂。Watchle说这是研究人员首次看到钠的疗效。

“钠和其他碱金属尚未探索CNT催化,”Watchle说。“这项工作使我们成为周期表的不同部分。”

为了确保他们的初始观察不仅仅是一种侥幸,该团队测试了一系列含钠化合物。它们最初以商业级钠为单词,以小苏打水,表盐和洗涤剂颗粒的形式进行,它们从校园便利店获得。然而,最终,他们升级到纯化的那些化合物的纯化版本,它们将它们溶解在水中。然后它们浸入每个化合物的溶液中的碳纤维,在钠中涂覆整个表面。最后,它们将材料放入炉中,并进行化学气相沉积过程中涉及的典型步骤以生长CNT。

In general, they found that, while iron catalysts form carbon nanotubes at around 800 degrees Celsius, the sodium catalysts were able to form short, dense forests of CNTs at much lower temperatures, of around 480 C. What’s more, after surfaces spent about 15 to 30 minutes in the furnace, the sodium simply vaporized away, leaving behind hollow carbon nanotubes.

“CNT研究的很大一部分都不是在生长它们上,而是在清洁它们时, - 努力将它们脱离产品的不同金属,”Gunerle说。“钠的整洁的东西是,我们可以加热它并摆脱它,并获得纯净的CNT作为产品,你不能与传统催化剂做。”

李表示,未来的工作可能会集中于改善使用钠催化剂种植的CNT的质量。研究人员观察到,钠钠能够产生碳纳米管的森林,管子的壁在完全六边形图案中没有完全对准 - 晶体状的构造,其具有其特征强度的CNT。李计划在CVD工艺中“调整各种旋钮”,改变时序,温度和环境条件,提高钠生长的CNT的质量。

“你仍然可以玩的很多变量,钠可以与传统催化剂相得益彰,”李说。“我们预料到钠,未来可以获得高质量的管。我们非常高兴,即使你使用常规手臂和锤子发酵苏打水,它也应该工作。“

对于东京大学机械工程教授的Shigeo Maruyama,从这种常见的成分中烹饪CNT的能力应该揭示出于异常强大的材料成长方式的新见解。

“这是一个惊喜,我们可以从桌上生长碳纳米管!”没有参与该研究的Maruyama说。“尽管研究了碳纳米管的化学气相沉积(CVD)生长已经研究了20多年,但没有人试图使用碱金属作为催化剂。这将是对碳纳米管生长机制的完全新了解的伟大提示。“

通过空中客车,波音,巴西航空公司,洛克希德Martin,Saab Ab,Ansys,Saertex和Tohotenax通过麻省理工学院的纳米工程复合航空航天结构(NECST)联盟,这项研究得到了支持。

出版物:Richard Li等博士,“碳纳米管的低温生长,碳纳米管催化的钠型成分”,2019年angewandte Chemie;DOI:10.1002 / ANIE.201902516

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