碳纳米管免催化剂合成新方法——高温热震荡及限域空间辅助

2018年12月10日，美国马里兰大学帕克分校胡良兵团队与罗巍博士等开发了一种高温热震荡辅助、免催化剂、限域空间原位合成碳纳米管的方法，相关成果以“Catalyst-Free In Situ Carbon Nanotube Growth in Confined Space via High Temperature Gradient”为题发表在《Research》（Research.2018 DOI: 10.1155/2018/1793784）上。

研究背景

碳材料，例如石墨，碳纳米管（CNT）和石墨烯，在电池、电容器和复合材料等领域有着广泛的应用，近年来对其需求也在不断地增长。关于不同类型碳之间转化的研究，特别是从丰富的低成本碳到高端碳同素异形体的转化，已经引起了人们广泛的兴趣。

传统合成高端碳同素异形体的方法包括化学沉积、激光加热、传统高温炉催化生长等，一般需要外加催化剂，耗时较长，耗能较大，不利于低成本、大规模、快速地制备。

研究进展

近日，美国马里兰大学帕克分校胡良兵团队与罗巍博士等开发了一种高温热震荡辅助、免催化剂、限域空间原位合成碳纳米管的方法。在没有外加催化剂或外部碳源条件下，生物质衍生的无定形碳和有缺陷的还原氧化石墨烯（RGO）可以通过高温焦耳加热在高度受限的空间中快速转化为碳纳米管。

图1   高温热震荡辅助、免催化剂、限域空间原位生长碳纳米管的示意

图2   碳纳米管原位生长于三维木碳的复合碳材料的结构形貌表征

结合实验测量和分子动力学模拟，本研究 提出焦耳加热条件下限域空间内碳纳米管的生长机制。无定形碳或RGO中缺陷位置由于具有高局部电阻而产生高局部温度，会形成很高的局部温度梯度，驱动碳原子的迁移并促进碳纳米管的生长。

图3   分子动力学模拟焦耳热辅助缺陷诱导局部超高温度梯度促进碳纳米管在限域空间的原位生长

展望

本项工作首次实现了无需外部催化剂或外部碳源的廉价碳材料到高端碳同素异形体的转化，并揭示了焦耳热辅助缺陷诱导局部超高温度梯度驱动碳纳米管生长机制。这种机制同样适用于其他长长宽比纳米材料的生长。这种一维碳纳米管原位生长于二维或三维碳基体的复合碳材料在储能、电催化、水处理等能源环境领域有潜在的应用前景。

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