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北京大学张锦院士团队 JACS: 直接纺丝制备高强度碳纳米管纤维 ...

时间：2024-04-21 来源： 浏览：

北京大学张锦院士团队 JACS: 直接纺丝制备高强度碳纳米管纤维 ...

化学与材料科学
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碳纳米管(CNTs)具有令人印象深刻的特性，在构建高性能纤维方面显示出巨大的潜力。然而，通过浮动催化剂化学气相沉积(FCCVD)法制备的碳纳米管纤维(CNTF)的拉伸强度受到基本碳纳米管之间弱相互作用的困扰。
2024年4月10日， 北京大学张锦院士团队 以“ Kinetic Modulation of Carbon Nanotube Growth in Direct Spinning for High-Strength Carbon Nanotube Fibers ”为题在 J. Am. Chem. Soc. 上发表论文。
本研究通过氯(Cl)/水(H 2 O)辅助的长度增长浮动催化化学气相沉积(FCCVD)方法，即CALFFCCVD方法，调控了碳纳米管(CNTs)之间的相互作用，从而增强了宏观纤维的机械强度。
通过CALF-FCCVD方法获得的CNTs长度比传统铁基FCCVD系统提高了731%。此外，通过CALFFCCVD纺丝制备的CNTFs展现出高达5.27 ± 0.27 GPa（4.62 ± 0.24 N/tex）的高拉伸强度，并可达到5.61 GPa（4.92 N/tex），这一结果优于大多数之前报道的数据。 实验测量和密度泛函理论计算表明，Cl和H 2 O在CNT生长的促进中起着至关重要的作用。从二氯甲烷分解释放的Cl极大地加速了CNTs的生长；H 2 O能够去除浮动催化剂上的非晶态碳，延长其寿命，进一步调节生长动力学并提高所制备纤维的纯度。该CALF-FCCVD平台的设计为调控CNT生长动力学提供了一种强有力的方法，以直接纺丝制备高强度CNTFs。

图1. 展示了通过CALF-FCCVD方法制备高强度CNTFs的示意图。
Cl/H 2 O辅助的FCCVD过程快速生长长CNTs，大量制备好的CNTs聚集在一起形成高强度CNTFs。Cl从CH 2 Cl 2 的热解中释放出来，有助于充分热解碳源，生成更多的活性碳物种(C或C2)，从而提高CNTs的生长速率。引入H 2 O避免了催化剂纳米粒子被非晶态碳毒化，延长了催化剂的寿命并增加了CNTs的生长时间。
图2. 展示了CALF-FCCVD方法制备的原丝CNTFs的结构和性能。
图中展示了不同Fe-Cl比例下CNTFs强度的比较，以及Fe-Cl-H 2 O(1:1.6:207)条件下制备的CNTFs的表面形貌、截面透射电子显微镜(TEM)图像、CNT与催化剂纳米粒子、以及相应的拉曼光谱等。
图3. 展示了经过后处理的CNTFs的机械性能。
图中展示了CSA拉伸和滚动处理后的CNTFs的表面形貌、极化拉曼光谱、应力-应变曲线以及与商业碳纤维和不同方法制备的CNTFs的机械性能比较等。
图4. 分析了Cl/H 2 O调控CNT生长的机制。
图中展示了不同生长条件下CNTs的平均长度、反应废气中CH 4 、C 2 H 6 、C 2 H 4 和C 2 H 2 的归一化含量、不同生长条件下CNTs的IG/ID比值、生长CNTs的透射电子显微镜(TEM)图像，以及计算得到的丙酮分解的自由能等。
本研究的亮点在于成功开发了CALF-FCCVD方法，通过调控CNTs的生长动力学，实现了高强度CNTFs的制备。 研究中，CNTs的长度得到了显著提升，CNTFs的拉伸强度达到了5.61 GPa，远超以往报道的结果。此外，通过引入Cl和H 2 O，不仅加速了CNTs的生长速率，还提高了催化剂的寿命和纤维的纯度。这些发现为直接纺丝制备高性能CNTFs提供了新的思路和方法，对于推动CNTFs在工业上的应用具有重要意义。

原文链接

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

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