垂直碳纳米管阵列的生长控制研究进展

垂直碳纳米管(VACNT)阵列由于具有良好的排列、优异的导电导热能力、高比表面积、高纯度等优点而得到广泛应用。本文概述了用于碳纳米管阵列生长的热化学气相沉积(CVD)制备方法的最新进展,重点阐述了CVD法生长碳纳米管阵列的动力学与生长终止机理,指出CVD过程中的催化剂形貌演化是引发碳纳米管阵列生长停止的重要原因。介绍了人们通过生长条件控制与催化剂设计等方法调控碳纳米管阵列结构(包括管壁数、管径和密度)方面取得的进展,指出碳纳米管阵列的大批量制备及结构参数的精确调控是未来发展的重点。

文献挖掘和高通量方法优化碳纳米管垂直阵列生长

具有良好力学性能和高导热性的碳纳米管垂直阵列(VACNT)可用作热管理中的有效热界面材料。为了利用沿碳纳米管轴向的高导热性,需要优化碳纳米管垂直阵列的结晶度和高度。然而,碳纳米管垂直阵列的生长参数空间(如退火时间、催化剂种类、生长温度、载气、碳源等)复杂,结构特征之间相互影响,同时提高碳纳米管垂直阵列的高度和质量仍是一个巨大的挑战。与此同时,缺乏对参数调控方向的指导进一步增加了实验结果的不确定性,并限制了产物结构优化的效率。本研究开发了一种文献挖掘-机器学习-高通量制备策略,有效优化了碳纳米管垂直阵列的高度和质量。为了揭示碳纳米管垂直阵列结构与关键生长参数之间的潜在关系,采用随机森林回归算法对一组已发布的样本数据(864个样本)进行建模,并利用机器学习模型解释包SHAP(SHapley Additive exPlanations)分析获得影响垂直阵列高度和结晶度的主要生长参数。经分析确定,高通量实验旨在调节4个关键参数:生长温度、生长时间、催化剂组分和碳源浓度。结果发现,经筛选的Fe/Gd/Al_(2)O_(3)催化剂能够生长出具有毫米级高度和更高结晶度的碳纳米管垂直阵列。结果表明,文献挖掘、高通量实验和基于数据的机器学习可以有效地处理碳纳米管生长等多参数过程,提高对结构的控制。

纳米金/垂直阵列碳纳米管修饰铜电极的制备及其对曲酸的电催化性能研究

通过磁控溅射法制备了金/垂直阵列碳纳米管纳米复合材料,并利用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)方法对复合材料的形貌进行了表征。将此材料用导电银胶粘贴到铜电极表面制备成工作电极对曲酸进行了电催化性能研究,结果表明:在pH 6.0的0.001mol·L^(-1)的乙酸-乙酸钠溶液中,该电极对曲酸具有很好的电催化氧化作用,曲酸浓度在5.0×10-4~7.5×10-3 mol·L^(-1)之间时,与其电催化氧化峰电流值之间呈线性关系。检出限(3S/N)为1.0×10-5 mol·L^(-1)。

原子层沉积工艺制备催化薄膜厚度对生长碳纳米管阵列的影响

通过原子层沉积(ALD)工艺在硅基底依次沉积氧化铝缓冲层薄膜和氧化铁催化薄膜,然后利用管式炉进行水辅助化学气相沉积(WACVD)生长垂直碳纳米管阵列(VACNTs)。结果表明:ALD工艺制备的氧化铁薄膜经还原气氛热处理可形成碳纳米管阵列生长所需的纳米催化颗粒;氧化铁薄膜厚度与纳米催化颗粒大小以及生长出的碳纳米管阵列的结构密切相关。当氧化铁薄膜厚度为1.2 nm时,生长出的碳纳米管阵列管外径约为10 nm,管壁层数约为5层,阵列高度约为400?m。增大氧化铁薄膜的厚度,生长出的碳纳米管阵列外径和管壁数增加,阵列高度降低。实验还在硅基底侧面观察到了VACNTs,表明ALD工艺可在三维结构上制备催化薄膜用于生长VACNTs。

具有交联网络的碳纳米管阵列导热材料

垂直碳纳米管阵列(VACNT)中相邻碳纳米管的相互作用较弱,导致其水平热导率较低。通过化学气相沉积法在VACNT内部生长了随机取向的次级碳纳米管,次级碳纳米管在VACNT中形成交联网络,增强了VACNT的水平热导率。理论模拟分析表明,次级碳纳米管能够对集中的热量进行分散传导,从而有效调控碳纳米管阵列沿水平方向的热导率。实际测试结果表明,二次生长时间为30 min的碳纳米管阵列具有较为致密的网络结构,其密度为0.149 g/cm^(3),相比于VACNT的密度(0.118 g/cm^(3))提升了26.3%;其垂直热导率和水平热导率分别高达10.9 W/(m·K)和7.8 W/(m·K),水平热导率比VACNT的水平热导率提升幅度达231.6%。

不锈钢基底碳纳米管阵列制备及基底弯曲研究

通过化学气相沉积法在不锈钢基底上制备定向度良好的垂直定向碳纳米管阵列。研究中发现在超薄柔性金属基底上制备碳纳米管阵列时,基底会随化学气相沉积过程发生弯曲变形。通过对比实验分析导致基底弯曲的原因,确定了变形与沉积的对应关系。采用预弯曲处理的方法克服了金属基底在制备碳管阵列时发生弯曲的问题。

干黏附碳纳米管垂直阵列的转移及其黏附性能评价

碳纳米管垂直阵列(VACNTs)具有高长径比、优异的力学性能,在仿壁虎干黏附材料领域具有广阔的应用前景.但适合其生长的硅基底本身硬脆以及阵列与生长基底结合力较弱是制约VACNTs在干黏附材料中应用发展的主要问题.本文提出一种简单高效的转移方法,将VACNTs转移至柔韧的聚碳酸酯(PC)基底,再进行切向黏附性能测试,并从顶部形貌结构与石墨化程度两方面分析切向黏附强度测试结果.对转移工艺进行优化以后,VACNTs与PC之间形成较强结合力,底端转移和顶端转移后获得2种不同的顶部结构.黏附性能测试结果表明,VACNTs切向黏附强度均随法向预载荷增加而增大,当施加16N/cm2的预载荷时,底端转移VACNTs的切向黏附强度约5 N/cm2,顶端转移VACNTs的切向黏附强度约2.8 N/cm2.该转移方法具有普遍适用性,不受转移阵列面积的限制,转移后的黏附材料整体柔韧性提高,为VACNTs作为仿壁虎干黏附材料的应用创造了有利条件.

垂直生长碳纳米管阵列可见光高吸收比标准研制及其特性表征分析

研究采用原子层沉积(ALD)工艺,利用垂直碳纳米管阵列(VACNTs)的稀疏结构和碳纳米管本身具有的中空结构,探索制备具有超黑性质的垂直生长碳纳米管阵列薄膜,研究测试材料在(500~1000)nm绝对吸收比,调节阵列结构,实现高吸收比标准片的研制。