早稻田大學等成功造成14cm的全球最長碳納米管束

2021-02-12 客觀日本

本文根據早稻田大學科研成果發布資料編譯而成。

日本早稻田大學理工學術院綜合研究所的杉目恆志副研究員與日本靜岡大學工學部電子物質科學科的井上研究室共同開發出了碳納米管（CNT）的新生長方法，並成功製成了長度達到以往（最長長度為2cm）7倍的14cm長的碳納米管束（CNT束）。

CNT作為一種輕且堅固、同時還具備高導電性和導熱性的材料，有望應用於多種用途。如果能利用無需擔心資源枯竭的碳來實現高功能的材料和元器件，就有望開發出實現可持續發展社會的技術。但CNT難以增加長度，原因之一是，隨著生長過程中催化劑的結構發生變化，很難同時兼顧較快的生長速度和較長的催化劑壽命。

此次研究的目標是，通過抑制催化劑在CNT束的生長過程中發生結構變化來生長比較長的CNT，為此開發了新的生長方法。最終，通過向氣體中添加微量的鐵（Fe）和鋁（Al）原料，延遲了催化劑的結構變化時間，在26個小時內成功生長出了14cm的CNT束（圖1）。

圖1：（a）正在生長中的CNT，（b）生長32小時後的CNT束新開發的方法

此次開發出了在室溫下向生長CNT的普通CVD法中添加極微量的有機金屬二茂鐵和異丙醇鋁，分別作為鐵（Fe）和鋁（Al）的原料的新方法。將這種方法與近年來開發的添加釓（Gd）的催化劑（Fe/Gd/Al2Ox）相結合，同時實現了CNT束的高生長速度和長生長壽命。另外，此次採用研究團隊獨創的冷氣化學氣相沉積（CVD）法，而非以往常用的熱壁式裝置，把CNT上沉積的雜質降到了最低，從而可以生長高純度的CNT。

研究團隊對生長條件進行詳細調查確認，鐵原料可以防止鐵催化劑向基底擴散並消失的現象，而鋁原料可以防止催化劑發生橫向結構變化。如果不添加這些原料，約1個小時左右就會停止生長，而添加這些材料後，生長持續了26個小時左右（圖2）。

圖2：向氣體中添加及未添加鐵和鋁原料時的CNT束生長曲線比較

【論文信息】
題目：Ultra-long carbon nanotube forest via in situ supplements of iron and aluminum vapor sources
期刊：Carbon
DOI ：10.1016/j.carbon.2020.10.066

編譯：JST客觀日本編輯部

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