客观日本

早稻田大学等成功造成14cm的全球最长碳纳米管束

2020年11月10日 化学材料

本文根据早稻田大学科研成果发布资料编译而成

日本早稻田大学理工学术院综合研究所的杉目恒志副研究员与日本静冈大学工学部电子物质科学科的井上研究室共同开发出了碳纳米管(CNT)的新生长方法,并成功制成了长度达到以往(最长长度为2cm)7倍的14cm长的碳纳米管束(CNT束)。

CNT作为一种轻且坚固、同时还具备高导电性和导热性的材料,有望应用于多种用途。如果能利用无需担心资源枯竭的碳来实现高功能的材料和元器件,就有望开发出实现可持续发展社会的技术。但CNT难以增加长度,原因之一是,随着生长过程中催化剂的结构发生变化,很难同时兼顾较快的生长速度和较长的催化剂寿命。

此次研究的目标是,通过抑制催化剂在CNT束的生长过程中发生结构变化来生长比较长的CNT,为此开发了新的生长方法。最终,通过向气体中添加微量的铁(Fe)和铝(Al)原料,延迟了催化剂的结构变化时间,在26个小时内成功生长出了14cm的CNT束(图1)。

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图1:(a)正在生长中的CNT,(b)生长32小时后的CNT束

新开发的方法

此次开发出了在室温下向生长CNT的普通CVD法中添加极微量的有机金属二茂铁和异丙醇铝,分别作为铁(Fe)和铝(Al)的原料的新方法。将这种方法与近年来开发的添加钆(Gd)的催化剂(Fe/Gd/Al2Ox)相结合,同时实现了CNT束的高生长速度和长生长寿命。另外,此次采用研究团队独创的冷气化学气相沉积(CVD)法,而非以往常用的热壁式装置,把CNT上沉积的杂质降到了最低,从而可以生长高纯度的CNT。

研究团队对生长条件进行详细调查确认,铁原料可以防止铁催化剂向基底扩散并消失的现象,而铝原料可以防止催化剂发生横向结构变化。如果不添加这些原料,约1个小时左右就会停止生长,而添加这些材料后,生长持续了26个小时左右(图2)。

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图2:向气体中添加及未添加铁和铝原料时的CNT束生长曲线比较

论文信息
题目:Ultra-long carbon nanotube forest via in situ supplements of iron and aluminum vapor sources
期刊:Carbon
DOI :10.1016/j.carbon.2020.10.066

研究成果发布资料
编译:JST客观日本编辑部

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