为什么合金金属纳米粒子在CNT生长方面比单金属粒子更好?

 
分子动力学模拟的快照显示，与仅由金制成的催化剂相比，由镍(蓝色)和金(黄色)原子制成的合金催化剂可以使碳纳米管生长。 (a)两种金属元素的接触诱导分离：金的活性低于镍，并被推到了生长前沿的顶部。 (b)随后碳原子(红色箭头)定向扩散到生长前沿，导致有效生长。 (c)在使用单金属催化剂的碳纳米管生长过程中，碳原子的无规扩散导致其在催化剂顶面上的积累，从而增加了封装和生长终止的风险。图片来源：基础科学研究所(韩国IBS)多维碳材料中心的IBS研究人员为长期存在的碳纳米管(CNT)增长之谜提出了理论解决方案。发表在《物理评论快报》上的这项研究解释了为什么与常规单金属催化剂相比，用金属合金制成的纳米颗粒有助于合成更长的碳纳米管。
碳纳米管是由碳原子制成的管状纳米结构，具有令人兴奋的潜在特性，使研究人员一直在寻找新的进展。生产CNT的最常用方法之一是催化剂纳米颗粒，其功能是促进将碳原子从前体分子添加到气缸壁上。在该领域中，众所周知，Ni-Y，Fe-Mo，Cu-Ni和Co-Mo等合金催化剂的性能要优于其他单金属催化剂，但原因尚不清楚。
IBS研究人员进行了系统的分子动力学模拟，以探索合金催化剂在CNT生长中的作用。 “在分子动力学模拟中，可以清楚地看到每个原子的运动，因此，可以精确记录碳纳米管生长过程中催化剂颗粒形状和结构的变化。这使我们超越了碳纳米管的能力。最好的实验方法。”研究中心小组负责人冯丁解释说。
通过分子动力学模拟，作者发现合金的两种金属在管的边缘处在空间上分离：CNT倾向于将活性更高的金属原子吸引到圆柱的开口端(生长前沿)，碳在此处在生长过程中，原子被插入CNT壁，而活性较低的金属原子被推向上方。更多的模拟表明这是普遍现象，可以应用于多种类型的合金催化剂。
IBS研究人员还证明，合金催化剂能胜过单金属纳米颗粒，因为碳纳米管边缘附近的活性金属原子比活性较低的碳原子更容易捕获碳原子。这将导致CNT生长前沿附近部位的碳浓度更高，并且碳原子快速添加，这有助于CNT的快速生长。
由于碳原子连续地结合到生长的CNT中，因此碳前体不会在合金纳米颗粒周围积聚。这防止了由碳原子制成的覆盖整个纳米颗粒的盖的形成。
“这项理论研究解决了合金催化剂在碳纳米管生长中的作用的长期难题。它揭示了在碳纳米管生长中使用合金催化剂的优势，并且可以将合金催化剂的接触诱导相分离视为这是指导催化剂设计以控制碳纳米管生长的一般规则。”研究的第一作者卢秋说。