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火花簡史 V:Spark+CVD 點(diǎn)燃碳納米管制造的新紀(jì)元

來源:復(fù)納科學(xué)儀器(上海)有限公司   2024年09月19日 11:29  

 

在納米科技的浪潮中,碳納米管(CNTs)和碳納米纖維(CNFs)以其良好的性能成為了研究的前沿。這些微觀管狀結(jié)構(gòu)不僅在材料科學(xué)領(lǐng)域引起了革命性的變化,更在電子、能源、醫(yī)藥等多個(gè)行業(yè)展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而,如何高效、經(jīng)濟(jì)地大規(guī)模生產(chǎn)這些納米材料,一直是科學(xué)家和工程師面臨的挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是,Spark ablation(火花燒蝕)技術(shù)的出現(xiàn)為這一難題提供了新的解決方案。

 

Spark 技術(shù),即火花放電技術(shù),是一種創(chuàng)新的納米材料制造方法。與傳統(tǒng)的電弧放電直接制造碳納米管不同,火花放電通過在特定條件下產(chǎn)生脈沖式大面積火花,能夠在常壓的氣相氛圍中生成均勻分布的金屬納米粒子,這些納米粒子隨后作為催化劑參與到 CNTs 和 CNFs 的生長過程中。結(jié)合納米打印功能,納米催化劑顆粒不僅提高了 CNFs 的產(chǎn)量,更重要的是,它使得 CNFs 的生長過程更加精確和可控。

 

1火花放電在常壓條件形成納米粒子的基本原理[1]

 

最近的研究進(jìn)展表明,使用 Spark 技術(shù)不僅能夠精確控制納米材料的生長,還能夠根據(jù)應(yīng)用需求定制 CNTs 和 CNFs 的特性。

 

2使用火花放電的方式直接產(chǎn)生納米 Fe 氣溶膠作為產(chǎn)生 CNTs 的催化劑[2]

 

氣相 CVD 法使用二茂鐵作為前驅(qū)體,并在高溫中產(chǎn)生超細(xì)納米鐵顆粒,作為催化劑參與 CNTs 的合成。而火花放電直接將 Fe 電極轉(zhuǎn)化為鐵納米氣溶膠,并且可簡單可控的調(diào)整輸出顆粒的粒徑分布。

與二茂鐵的傳統(tǒng)方法相比,Spark 技術(shù)的優(yōu)勢在于其精確控制能力。通過對火花放電參數(shù)的精細(xì)調(diào)節(jié),研究人員可以實(shí)現(xiàn)對催化劑粒子大小的精確控制,進(jìn)而影響 CNTs 和 CNFs 的直徑、長度和缺陷度。

 

3不同的火花放電氣流參數(shù)產(chǎn)生不同粒徑的 Fe 催化劑顆粒(A)以及產(chǎn)生的碳納米管(B)

 

Dmitry V[3] 的研究表明,通過調(diào)整放電電壓和電流,可成功地制備出長度小于 500nm 的 CNTs,這些 CNTs 具有較高的缺陷度,非常適合用于藥物傳遞和晶體管應(yīng)用。因此,雖然 Spark 的方式仍然存在產(chǎn)能的問題,但已經(jīng)展現(xiàn)出了更高的靈活性和可控性。

 

4使用火花放電產(chǎn)生的 Fe 催化劑顆粒形成的碳納米管 A – 0.5 LPM N2, B – 2 LPM N2 (880 °C;總氣流N2/CO=6 LPM)

5右圖為利用 Spark 方法結(jié)合 CVD 生長形成的碳納米管膜層

 

此外,Spark 技術(shù)的環(huán)境友好性也是其突出的優(yōu)勢之一。與需要使用有害化學(xué)品或產(chǎn)生大量廢氣的傳統(tǒng)方法相比,Spark 技術(shù)能夠在無排氣的條件下進(jìn)行,大大減少了對環(huán)境的影響。這一點(diǎn)對于追求綠色可持續(xù)生產(chǎn)的現(xiàn)代工業(yè)尤為重要。

 

碳納米纖維圖案化

 

在更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域中,精確控制圖案化的碳納米纖維(CNFs)陣列是一個(gè)新興方向,可應(yīng)用于傳感器與電極。在目前的研究中,通過氣溶膠火花蝕刻技術(shù)制備鎳催化劑并進(jìn)行直寫打印,之后通過 PECVD 方法生長 CNFs。通過調(diào)整打印速度來改變催化劑密度,并表征預(yù)圖案化線條中的 CNFs 分布。根據(jù)打印速度的不同,可以獲得不同的 CNFs 分布,從密集的垂直排列的 CNFs(VACNFs)到稀疏的單個(gè) CNFs。

 

使用沖壓慣性沖擊結(jié)合 XYZ 三軸移動的納米打印,可將催化劑直接打印在基底表面,并調(diào)整噴嘴的移動速度從而實(shí)現(xiàn)不同的催化劑覆蓋密度。顆粒會因?yàn)閼T性和高速射流的動能沖擊作用在基底表面形成覆蓋。

 

6納米粒子直寫

 

7不同的 Ni 催化劑覆蓋度會導(dǎo)致不同的 CNFs 分布類型。隨著打印速度的增加,CNFs 的密度降低

 

8不同 Ni 催化劑覆蓋基底表面碳納米管的生長情況,顯然更慢的打印速度可以帶來更多的 Ni 覆蓋,從而引發(fā)碳納米管更為密集的CVD生長[4]

 

納米打印催化劑在 CNFs 生產(chǎn)中的作用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

 

  1. 成核與生長:納米打印催化劑提供了一個(gè)理想的平臺,促進(jìn)了碳源分子在其表面的分解和碳原子的沉積。這些碳原子隨后重新排列形成 CNFs 的結(jié)構(gòu),催化劑的存在大大降低了這一過程的能壘。

  2. 定向控制:通過精確控制催化劑的分布和尺寸,納米打印技術(shù)能夠引導(dǎo) CNFs 沿著特定方向生長,從而獲得具有一致性和定向性的 CNFs 陣列。這對于制造具有特定力學(xué)和電學(xué)性能的 CNFs 復(fù)合材料至關(guān)重要。

  3. 質(zhì)量提升:納米打印催化劑的使用還有助于提高 CNFs 的質(zhì)量。由于催化劑粒子的均勻性和穩(wěn)定性,可以減少 CNFs 中的缺陷和雜質(zhì),從而獲得更高質(zhì)量的 CNFs。

  4. 可擴(kuò)展性:與傳統(tǒng)的催化劑沉積方法相比,納米打印催化劑技術(shù)具有更好的可擴(kuò)展性。它能夠在大面積基底上均勻地打印催化劑,這對于實(shí)現(xiàn) CNFs 的大規(guī)模生產(chǎn)具有重要意義。

 

Spark Ablation 技術(shù)的靈活性不容忽視。通過改變催化劑的組成和氣體流動條件,研究人員能夠輕松調(diào)整 CNTs 和 CNFs 的特性,從而適應(yīng)各種不同的應(yīng)用場景。無論是需要高強(qiáng)度的復(fù)合材料,還是要求高電導(dǎo)率的透明電極,Spark 技術(shù)都能夠提供定制化的納米材料解決方案。Spark 技術(shù)在制造 CNTs 和 CNFs 方面展現(xiàn)出了巨大的潛力和優(yōu)勢。其精確的控制能力、可擴(kuò)展的生產(chǎn)效率、環(huán)境友好性和高度的靈活性,預(yù)示著這一技術(shù)將在未來的納米材料制造領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。下一代高通量高產(chǎn)量的 Spark 發(fā)生器裝置將有效推動該方法的商業(yè)化。



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