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CNT研究結(jié)果指向高光伏效率電池和先

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1351次  |  2019年08月28日  

CNT研究結(jié)果指向高光伏效率電池和先進(jìn)電子領(lǐng)域

研究結(jié)果證明,可以直接在碳納米管(CNT)的生長過程中控制其結(jié)構(gòu)。這提高了CNT的應(yīng)用潛力,可以在能量損耗最小情況下,以更高速度并在更遠(yuǎn)距離內(nèi)傳輸電學(xué)信號。這也提供了獲得新電子器件的可能,例如高性能的精簡計算機(jī)、具有超級電容的電極、燃料電池以及其他應(yīng)用,同時也可以提高光伏電池等現(xiàn)有器件的性能。

該項研究工作是在UniversityofLouisville(肯塔基州,Louisville)和普度大學(xué)(印第安納州,WestLafayette)開展的,并受到了本田美國研究院(HondaResearchInsTItuteUSA,俄亥俄州Columbus)的資助。研究人員在金屬納米顆粒表面生長CNT,在蜂窩狀環(huán)形薄層上形成圓柱形結(jié)構(gòu),而碳原子就處于這些結(jié)構(gòu)的頂端。當(dāng)這些CNT表現(xiàn)出金屬性導(dǎo)電特征時,它們的機(jī)械強(qiáng)度比鋼還要高,導(dǎo)電能力比銅還更強(qiáng),熱傳導(dǎo)能力可與金剛石比擬,而且它們非常輕。

CNT的各種組合(n,m)形式。每種組合(n,m)對應(yīng)一種具體的結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的導(dǎo)電性:紅色和粉色表現(xiàn)出金屬性質(zhì),而藍(lán)色為半導(dǎo)體性質(zhì)。通過控制催化顆粒的形狀和尺寸,可以獲得的擇優(yōu)性生長的金屬性CNT,其組合如圖所示,圓柱的高度表示材料上生長特定(n,m)CNT的相對概率。(來源:本田美國研究院)

該研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)表在10月2日出版的《科學(xué)》期刊上,題為“preferenTIalGrowthofSingle-WalledCarbonNanotubesWithMetallicConducTIvity”。據(jù)研究報告,單壁CNT(SWCNT)根據(jù)其導(dǎo)電能力可以分為金屬型和半導(dǎo)體型,而其導(dǎo)電能力又取決于碳管的手性。傳統(tǒng)的合成方法不能生長出具有特定導(dǎo)電能力的納米管。以前通過普通方法控制金屬導(dǎo)電型CNT結(jié)構(gòu),但成功的幾率只有20-50%。然而,研究人員認(rèn)為,通過改變催化劑熱退火時的氣體環(huán)境,并加入一些氧化性和還原性組分,可以將金屬導(dǎo)電型CNT的形成幾率從約33%提高到91%。

本田和學(xué)術(shù)界的研究人員發(fā)現(xiàn),通過在制作工藝過程中使用氬氣或氦氣作為承載氣體,可以控制生長的CNT,使之變成金屬型或半導(dǎo)體型。根據(jù)本田研究院的首席科學(xué)家AveTIkHarutyunyan介紹,這是關(guān)于系統(tǒng)地控制金屬態(tài)CNT生長的首次報道。“進(jìn)一步的研究還在進(jìn)行之中,最終的目標(biāo)是完全控制納米管的生長組合以支持現(xiàn)實應(yīng)用?!?br/>

Harutyunyan還介紹說,過去的觀點(diǎn)認(rèn)為,金屬納米催化劑主要用于CNT成核,而催化劑的尺寸決定了CNT的導(dǎo)電能力,但現(xiàn)在的研究表明,催化劑的形狀和晶體結(jié)構(gòu)也具有很大影響,而正是通過對這些因素的控制實現(xiàn)了對CNT導(dǎo)電性能的控制。過去整個生長CNT的工藝是隨機(jī)的,因此無法決定得到的是半導(dǎo)體型還是金屬型(不同種類對應(yīng)不同的應(yīng)用)碳管。金屬型納米管在諸多領(lǐng)域更為有用,這包括作為導(dǎo)體材料連接其他納米結(jié)構(gòu)、作為太陽能電池以及其他光學(xué)和電子器件的窗口材料。

在普度大學(xué)的研究團(tuán)隊由EricStach領(lǐng)導(dǎo),使用由本田開發(fā)的技術(shù),制造了大量CNT并精確地測定了其導(dǎo)電屬性。他們使用TEM來觀測納米管形成,結(jié)果表明,氣體環(huán)境的變化可以改變金屬催化劑納米顆粒的形狀,從非常尖銳的表面可以變成完全球形的表面。這些催化劑結(jié)構(gòu)重排表明,在催化劑形貌與獲得的CNT電學(xué)結(jié)構(gòu)之間,存在一定關(guān)系,進(jìn)而表明可選擇生長的手性。由GaminiSumanasekera領(lǐng)導(dǎo)的Louisville研究人員,則制作了薄膜狀的CNT,并進(jìn)行了仔細(xì)的測量以確定該納米管是否形成了金屬態(tài)。


Sumanasekera期望這一發(fā)現(xiàn)可以重新激發(fā)這一領(lǐng)域的興趣?!疤技{米管可能會取代一些目前被普遍使用的材料,可以滿足對導(dǎo)電性和透光能力的更高需求”,他這樣認(rèn)為。


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