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北京大學(xué)張錦院士團(tuán)隊(duì) JACS: 直接紡絲制備高強(qiáng)度碳納米管纖維 ...

時間：2024-04-21 來源： 瀏覽：

北京大學(xué)張錦院士團(tuán)隊(duì) JACS: 直接紡絲制備高強(qiáng)度碳納米管纖維 ...

化學(xué)與材料科學(xué)
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碳納米管(CNTs)具有令人印象深刻的特性，在構(gòu)建高性能纖維方面顯示出巨大的潛力。然而，通過浮動催化劑化學(xué)氣相沉積(FCCVD)法制備的碳納米管纖維(CNTF)的拉伸強(qiáng)度受到基本碳納米管之間弱相互作用的困擾。
2024年4月10日， 北京大學(xué)張錦院士團(tuán)隊(duì) 以“ Kinetic Modulation of Carbon Nanotube Growth in Direct Spinning for High-Strength Carbon Nanotube Fibers ”為題在 J. Am. Chem. Soc. 上發(fā)表論文。
本研究通過氯(Cl)/水(H 2 O)輔助的長度增長浮動催化化學(xué)氣相沉積(FCCVD)方法，即CALFFCCVD方法，調(diào)控了碳納米管(CNTs)之間的相互作用，從而增強(qiáng)了宏觀纖維的機(jī)械強(qiáng)度。
通過CALF-FCCVD方法獲得的CNTs長度比傳統(tǒng)鐵基FCCVD系統(tǒng)提高了731%。此外，通過CALFFCCVD紡絲制備的CNTFs展現(xiàn)出高達(dá)5.27 ± 0.27 GPa（4.62 ± 0.24 N/tex）的高拉伸強(qiáng)度，并可達(dá)到5.61 GPa（4.92 N/tex），這一結(jié)果優(yōu)于大多數(shù)之前報(bào)道的數(shù)據(jù)。 實(shí)驗(yàn)測量和密度泛函理論計(jì)算表明，Cl和H 2 O在CNT生長的促進(jìn)中起著至關(guān)重要的作用。從二氯甲烷分解釋放的Cl極大地加速了CNTs的生長；H 2 O能夠去除浮動催化劑上的非晶態(tài)碳，延長其壽命，進(jìn)一步調(diào)節(jié)生長動力學(xué)并提高所制備纖維的純度。該CALF-FCCVD平臺的設(shè)計(jì)為調(diào)控CNT生長動力學(xué)提供了一種強(qiáng)有力的方法，以直接紡絲制備高強(qiáng)度CNTFs。

圖1. 展示了通過CALF-FCCVD方法制備高強(qiáng)度CNTFs的示意圖。
Cl/H 2 O輔助的FCCVD過程快速生長長CNTs，大量制備好的CNTs聚集在一起形成高強(qiáng)度CNTFs。Cl從CH 2 Cl 2 的熱解中釋放出來，有助于充分熱解碳源，生成更多的活性碳物種(C或C2)，從而提高CNTs的生長速率。引入H 2 O避免了催化劑納米粒子被非晶態(tài)碳毒化，延長了催化劑的壽命并增加了CNTs的生長時間。
圖2. 展示了CALF-FCCVD方法制備的原絲CNTFs的結(jié)構(gòu)和性能。
圖中展示了不同F(xiàn)e-Cl比例下CNTFs強(qiáng)度的比較，以及Fe-Cl-H 2 O(1:1.6:207)條件下制備的CNTFs的表面形貌、截面透射電子顯微鏡(TEM)圖像、CNT與催化劑納米粒子、以及相應(yīng)的拉曼光譜等。
圖3. 展示了經(jīng)過后處理的CNTFs的機(jī)械性能。
圖中展示了CSA拉伸和滾動處理后的CNTFs的表面形貌、極化拉曼光譜、應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及與商業(yè)碳纖維和不同方法制備的CNTFs的機(jī)械性能比較等。
圖4. 分析了Cl/H 2 O調(diào)控CNT生長的機(jī)制。
圖中展示了不同生長條件下CNTs的平均長度、反應(yīng)廢氣中CH 4 、C 2 H 6 、C 2 H 4 和C 2 H 2 的歸一化含量、不同生長條件下CNTs的IG/ID比值、生長CNTs的透射電子顯微鏡(TEM)圖像，以及計(jì)算得到的丙酮分解的自由能等。
本研究的亮點(diǎn)在于成功開發(fā)了CALF-FCCVD方法，通過調(diào)控CNTs的生長動力學(xué)，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度CNTFs的制備。 研究中，CNTs的長度得到了顯著提升，CNTFs的拉伸強(qiáng)度達(dá)到了5.61 GPa，遠(yuǎn)超以往報(bào)道的結(jié)果。此外，通過引入Cl和H 2 O，不僅加速了CNTs的生長速率，還提高了催化劑的壽命和纖維的純度。這些發(fā)現(xiàn)為直接紡絲制備高性能CNTFs提供了新的思路和方法，對于推動CNTFs在工業(yè)上的應(yīng)用具有重要意義。

原文鏈接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c01705

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