研究人员用于LED太阳能电池柔性透明电子产品的碳纳米管产量增加了三倍

Skoltech的科学家们找到了一种改进最广泛使用的单壁碳纳米管薄膜生产技术的方法，单壁碳纳米管薄膜是一种很有前途的材料，可用于太阳能电池、LED、柔性透明电子产品、智能纺织品、医学成像、有毒气体探测器、过滤系统和更多的。通过将氢气和一氧化碳添加到反应室中，与使用其他生长促进剂时相比，该团队成功地将碳纳米管的产量提高了近三倍，而且不影响质量。

到目前为止，低产量一直是限制该制造技术潜力的瓶颈，而该技术原本以高产品质量而闻名。该研究已发表在《化学工程杂志》上。

虽然这并不是它们真正的制造方式，但从概念上讲，纳米管是碳的一种形式，其中蜂窝状排列的原子片(称为石墨烯)被无缝卷成空心圆柱体。

它们的长度、直径和所谓的手性(蜂窝图案如何“倾斜”)以及管是单壁还是周围有其他更宽的管(使其成为“多壁”)各不相同。碳纳米管的性能根据上述参数而有很大差异。例如，手性控制着它们的电导率。碳纳米管可制成粉末、薄膜、纤维和其他形式，具体取决于它们的用途。

由于其卓越的机械、电气、光学和热性能，碳纳米管被用于多种产品和技术，从抗撕裂汽车轮胎和风力涡轮机叶片复合材料到柔性触摸屏和锂离子电池组件。

薄膜形式的单壁碳纳米管的主要应用是电子和光学器件、组件和解决方案，特别是那些柔性、可拉伸、可穿戴和透明的器件、组件和解决方案。其中包括激光器、发光二极管和显示器、太阳能电池、电缆、晶体管、机械、化学和光传感器、气体和液体过滤系统、防静电涂层，甚至药物输送车辆。

制造单壁碳纳米管(SWCNT)薄膜(实际上是大多数其他形式的碳纳米管)的主要技术被称为化学气相沉积(CVD)，它包含多种技术，这些技术是同一基本工艺的变体。

在这些变化中，浮动催化剂(气溶胶)CVD用于薄膜的生产，因为它允许一步获得薄膜。

在该方法中，将碳源(用于生长纳米管的碳原料，例如碳氢化合物、一氧化碳、乙醇等)和催化剂前体(通常是铁纳米颗粒的前体，例如二茂铁)的气流引入高温反应器中。温度反应器。

高温将前驱体分解成催化纳米颗粒，随后碳源分解并在其表面沉积碳，形成富勒烯半球状帽，并生长纳米管。在反应器的出口处，纳米管同时被过滤，在过滤器表面形成“2D”网络——薄壁碳纳米管薄膜。

“碳源的选择取决于纳米管所需的性能。一氧化碳提供了适合光学和电子应用的高产品质量，但代价是产量相当有限，”该研究的合著者、斯科尔理工学院的助理教授德米特里·克拉斯尼科夫(DmitryKrasnikov)说。

为了解决这个问题，研究人员通常使用生长促进剂，即CVD反应器中的附加化合物，可促进纳米管生长或提高催化剂活化和/或寿命。通常，这些是硫化合物、弱氧化剂，例如二氧化碳或水，或其他碳源。然而，所有这些选择都有其缺点。

“当前的解决方案无法显着提高CO基合成生产率。对于二氧化碳来说，产量通常会增加两到三倍，而添加硫对于CO基工艺来说是无效的，”IlyaNovikov评论道，该出版物的主要作者最近完成了博士学位答辩。Skoltech的论文致力于纳米管合成。

“我们认为氢是一种可能有效的生长促进剂。在之前的工作中，发现将其引入CO气氛中除了布杜反应(CO歧化：CO+CO→C+CO2)—CO氢化(CO+H2→C+H2O)。我们得出结论，它也可能适用于我们的情况。

在深入研究氢气对单壁碳纳米管合成产率以及纳米管产品性能的影响后，作者发现，当氢气浓度为10vol%时，合成生产率提高了15倍，且纳米管薄膜的结构性能和性能没有恶化。作为透明导体。

“通过光谱学和电子显微镜方法研究了纳米管生长的机制，并对该过程的热力学进行了详细研究，我们得出结论，一氧化碳氢化确实是造成如此显着效果的原因，”阿尔伯特·纳西布林教授说，Skoltech纳米材料实验室主任。

“此外，为了详细解释其对过程的影响，除了不同的氢浓度之外，我们还检查了纳米管合成的不同温度范围，”克拉斯尼科夫补充道。

“出乎意料的是，观察到了两种不同的现象：在低温状态下，氢气显着提高了催化剂的活化(具有催化活性的铁颗粒的比例)，从而提高了产率，而在高温状态下，它增强了纳米管的生长，从而产生更长的纳米管和更高的薄膜电导率。”

“因此，我们相信这项研究同时解决了两个重要问题。一方面，合成生产率的显着提高显着扩展了基于CO的气溶胶CVD工艺的应用，并使该方法接近工业级纳米管生产。另一方面，在这项工作中，我们成功地发现了基于CO歧化的纳米管生长背后的基本机制，这对于更深入地了解纳米管CVD合成非常有用，”Nasibulin总结道。

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