Katalytisk tillväxt av kolnanorör

Vi strävar efter en ökad förståelse av den katalytiska tillväxtmekanismen av kolnanorör (CNTs) genom första principer beräkning av bindningsenergier och på så sätt bidra till utvecklingen av tillväxtmekanismen för CNT med speciella egenskaper. Denna verksamhet startades i samarbete med Dr Feng Ding, professor Kim Bolton och professor Arne Rosén vid Chalmers.

Den viktiga roll som de katalytiska nanopartiklar utgör har tidigare ansetts vara dels nedbrytningen av råmaterial gasen, för leverans av kol, och sådd av CNT, som kräver bildandet av grafitiska kupoler på partiklarna. Vi var först med att visa att ytterligare en funktion också är viktig - att stabilisera den växande änden av CNT, vilket är uppfyllt för de magnetiska metallerna (Fe, Co, Ni) som vanligen används för att tillverka CNTs. Med vårt arbete kan den fenomenologiska kunskapen om CNTs tillväxtsmekanism utökas med beräknade bindningsstyrkor, vilket öppnar upp en väg för undersökning av faktorer såsom enkelväggiga vs flerväggig CNT tillväxt, defekt introduktions energi, legeringskatalysatorer, och effekten av föroreningar.

Vår teoretiska förutsägelse av en kol-metall bindnings stryka, ett av flera kriterium för CNT tillväxt har bevisats experimentellt i samarbete med Dr Justin Holmes (University College Cork) genom att kombinera två katalytiskt inaktiva icke-magnitiska metaller, en som har alltför svag metall-kol bindning (Cu, Pd) och en som har alltför stark metall-kol bindning (Mo, W) till aktiva katalysatorpartikellegeringar (Mo/Cu, Mo/Pd, och W/Cu). Samarbetet med Prof. Justin Holmes har även resulterat i en studie av tillväxt av N-dopade CNTs. Vår studie av CNT tillväxt bidrar till en ökad specifik produkt kontroll, vilket hittills inte varit möjligt och därmed fördröjt användningen av CNTs i tekniksammanhang.

Publikationer

• Impact of training and validation data on the performance of neural network potentials: A case study on carbon using the CA-9 dataset
• Analytical modelling of single-walled carbon nanotube energies: the impact of curvature, length and temperature
• Length dependent stability of single-walled carbon nanotubes and how it affects their growth
• On the stability and abundance of single walled carbon nanotubes
• Establishing the most favorable metal–carbon bond strength for carbon nanotube catalysts
• Origin of the difference between carbon nanotube armchair and zigzag ends
• The importance of strong carbon-metal adhesion for catalytic nucleation of single-walled carbon nanotubes
• Calculating carbon nanotube-catalyst adhesion strengths
• Copper/molybdenum nanocomposite particles as catalysts for the growth of bamboo-structured carbon nanotubes
• Growth of carbon nanotubes from heterometallic palladium and copper catalysts
• Nitrogen-doped carbon nanotubes: Growth, mechanism and structure
• On the stability of single-walled carbon nanotubes and their binding strengths