高纯单壁碳纳米管新进展:原位检测工作状态中的催化剂

催化生长是可控制备纳米材料的高效途径。催化剂的工作状态决定了所得纳米材料的结构、形貌及其生产工艺。在众多纳米材料中,碳纳米管作为典型代表,就是通过金属催化转化碳源实现其宏量可控制备。目前碳纳米管已在锂离子电池、超级电容器、复合材料等领域取得了广泛的应用。在诸多种类的碳纳米管中,单壁碳纳米管比表面积最高、导电性最好,利用其构建的透明导电膜、复合材料、储能器件具有优异的性能。因此,单壁碳纳米管处于众多碳管中的最高端。但是,目前催化途径制备的单壁碳纳米管往往存在着无定型碳、碳包铁等杂质,严重影响单壁碳纳米管的宏观性能,进而降低单壁碳管的品质。如何获得高纯的碳纳米管是重要的科学问题和技术挑战。

清华大学张强、魏飞教授组在该领域的研究近期取得了进展(DOI: 10.1002/adfm.201300614)。碳纳米管的金属催化剂是生长、纯化碳纳米管的关键。但是以往的研究往往只监测反应、纯化前后催化剂或者碳纳米管的结构和状态,并未表征工作状态中的催化剂,进而难以获得催化剂真实工作时的直接信息。该课题组采用实时在线的热重反应器作为碳纳米管生长和纯化的工作环境,通过热重天平记录反应和纯化过程中催化剂的质量变化,通过量热测量反应过程中催化剂的热量变化,通过质谱测量反应过程中催化剂附近的气氛变化,从而获得正在工作状态中的催化剂的直接信息。结合高分辨电镜,进而理解到在金属催化剂生长碳纳米管时,单壁管和碳包铁的生长同时进行,单壁管高速生长,但是寿命很短,碳包铁催化生长缓慢,但是生长周期很长。在纯化过程中,金属催化剂的外壳优先受到氧化剂的进攻,进而使普通液相难以处理的被碳包覆的金属催化剂得到了充分的暴漏。在理解碳管形成以及纯化过程中的金属催化剂的工作原理基础上,提出气固超短接触生长及二氧化碳辅助纯化的途径,将单壁碳纳米管的纯度提升至99.5 %(质量分数)。相关文章在Advanced Functional Materials发表,相关图片并作为第23卷第40期封面发表。

基于实时原位在线的方法监测工作状态中催化剂有效提供了金属催化剂在碳纳米管生长和纯化过程中的作用机制,进而指导了高纯单壁碳纳米管的宏量可控制备。本研究采用的原位实时在线分析研究方法提供了高时间分辨率的质量、组成等变化信息,可以推广到其它有质量变化和热量变化的催化体系,进而有望对探测催化活性物种的动态变化,理解催化反应的途径与机理提供核心依据。

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