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原子级电影揭示了催化剂纳米粒子经历内部变化来形成碳纳米管

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灯,相机,催化!美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员已经做出了一些关于微小催化剂颗粒的结构变化的第一部电影,这些电影可能有一天会帮助他们更有效地建立微型电子电路和其他纳米技术设备。电影可能会提出新的方法来定制设计催化剂纳米粒子,导致更有效的生产和改善他们帮助制造材料的控制。

作为单壁碳纳米管生长催化剂的钴纳米颗粒原子级结构波动的证据。显微照片是在4秒(左上),10秒(右上),20秒(左下)和40秒(右下)单壁碳纳米管生长的高分辨率快照。比例尺代表1纳米。催化剂纳米颗粒的钴(红色)和碳化钴(蓝色)区域显示了在生长期间每个区域如何波动。图片来源:NIST

催化剂是许多化学反应的关键,因为它们提供快速,低能量的途径来打破和使化学键进行反应的必要条件。催化剂纳米颗粒是诸如将原油转化成汽油和生长单壁碳纳米管(超强的碳原子排列)的工业过程的主要支柱。 NIST研究人员Renu Sharma表示,为了构建更好的催化剂纳米粒子,研究人员需要详细了解催化过程中涉及的化学途径。夏尔玛说:“如果你想做出好的催化剂,你想知道它为什么起作用,为什么它不起作用,而且粒子的原子结构往往会改变这种理解的关键。

为了获得这些知识,她和她的同事们依靠一种创新的电子显微镜和高分辨率相机实时跟踪钴纳米粒子的化学演变,因为它们起到了生长单壁碳纳米管的催化剂的作用。尽管钴在形成纳米管中起着重要的作用,但问题一直是这种催化剂是如何工作的,“Sharma说。

Sharma和她的同事,包括来自马里兰大学和德克萨斯A& M大学的合作者,在 Journal of Catalysis 最近的一期中描述了他们的发现 (link is external)

科学家们经常认为,制造碳纳米管的催化剂通过吸引参与其表面反应的气体分子而起作用,在那里它更容易断裂和结合键。但是夏尔马的研究小组发现,在钴纳米颗粒催化剂的情况下,整个颗粒不仅涉及其表面。

在实验中,团队使用乙炔(C 2 H 2 )作为碳源来构建纳米管。研究人员发现,一些碳,而不是直接在钴纳米粒子表面制造碳纳米管,扩散到纳米粒子。在纳米颗粒内部,扩散碳暂时形成碳化钴(Co 2 C)。这通过用电子显微镜拍摄的原子解析图像证实,其显示在单一催化剂纳米颗粒内钴和钴碳化物共存。最终,碳化钴分解回钴和碳。只有这个碳有助于纳米管的形成。该研究首次揭示了催化剂纳米颗粒中碳的波动量反映了碳纳米管生长的波动速率。模拟的分子过程证实了这一发现。

现在,团队已经记录了钴催化剂纳米粒子的原子尺度动力学,需要进一步的研究来确定如何将这些知识应用到更有效地形成碳纳米管,Sharma说。与此同时,研究人员采用的方法 - 将实时原子分辨成像与分子动力学模拟相结合 - 可以用于理解和改善各种催化剂的功能,并且可以微调他们帮助生产的结构。

来源:NIST

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