中國儲能網(wǎng)訊：催化生長是可控制備納米材料的高效途徑。催化劑的工作狀態(tài)決定了所得納米材料的結(jié)構(gòu)、形貌及其生產(chǎn)工藝。在眾多納米材料中，碳納米管作為典型代表，就是通過金屬催化轉(zhuǎn)化碳源實(shí)現(xiàn)其宏量可控制備。目前碳納米管已在鋰離子電池、超級電容器、復(fù)合材料等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。在諸多種類的碳納米管中，單壁碳納米管比表面積最高、導(dǎo)電性最好，利用其構(gòu)建的透明導(dǎo)電膜、復(fù)合材料、儲能器件具有優(yōu)異的性能。因此，單壁碳納米管處于眾多碳管中的最高端。但是，目前催化途徑制備的單壁碳納米管往往存在著無定型碳、碳包鐵等雜質(zhì)，嚴(yán)重影響單壁碳納米管的宏觀性能，進(jìn)而降低單壁碳管的品質(zhì)。如何獲得高純的碳納米管是重要的科學(xué)問題和技術(shù)挑戰(zhàn)。
清華大學(xué)張強(qiáng)、魏飛教授組在該領(lǐng)域的研究近期取得了進(jìn)展。碳納米管的金屬催化劑是生長、純化碳納米管的關(guān)鍵。但是以往的研究往往只監(jiān)測反應(yīng)、純化前后催化劑或者碳納米管的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，并未表征工作狀態(tài)中的催化劑，進(jìn)而難以獲得催化劑真實(shí)工作時的直接信息。該課題組采用實(shí)時在線的熱重反應(yīng)器作為碳納米管生長和純化的工作環(huán)境，通過熱重天平記錄反應(yīng)和純化過程中催化劑的質(zhì)量變化，通過量熱測量反應(yīng)過程中催化劑的熱量變化，通過質(zhì)譜測量反應(yīng)過程中催化劑附近的氣氛變化，從而獲得正在工作狀態(tài)中的催化劑的直接信息。結(jié)合高分辨電鏡，進(jìn)而理解到在金屬催化劑生長碳納米管時，單壁管和碳包鐵的生長同時進(jìn)行，單壁管高速生長，但是壽命很短，碳包鐵催化生長緩慢，但是生長周期很長。在純化過程中，金屬催化劑的外殼優(yōu)先受到氧化劑的進(jìn)攻，進(jìn)而使普通液相難以處理的被碳包覆的金屬催化劑得到了充分的暴漏。在理解碳管形成以及純化過程中的金屬催化劑的工作原理基礎(chǔ)上，提出氣固超短接觸生長及二氧化碳輔助純化的途徑，將單壁碳納米管的純度提升至99.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。相關(guān)文章在《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）發(fā)表，相關(guān)圖片并作為第23卷第40期封面發(fā)表。
基于實(shí)時原位在線的方法監(jiān)測工作狀態(tài)中催化劑有效提供了金屬催化劑在碳納米管生長和純化過程中的作用機(jī)制，進(jìn)而指導(dǎo)了高純單壁碳納米管的宏量可控制備。本研究采用的原位實(shí)時在線分析研究方法提供了高時間分辨率的質(zhì)量、組成等變化信息，可以推廣到其它有質(zhì)量變化和熱量變化的催化體系，進(jìn)而有望對探測催化活性物種的動態(tài)變化，理解催化反應(yīng)的途徑與機(jī)理提供核心依據(jù)。
