Покращення синтезу вуглецевих нанотрубок шляхом видалення аморфного вуглецю
Анотація
У цьому дослідженні вуглецеві нанотрубки (ВНТ) були синтезовані на сапфірових підкладках з нікелевим покриттям за допомогою традиційних методів та методів хімічного осадження з парової фази з використанням води (CVD та WA-CVD) для оцінки впливу водяної пари на видалення аморфного вуглецю та активність каталізатора за низьких температур. Відновлені нікелеві нанокаталізатори були отримані золь-гель методом та активовані в атмосфері водню. Раманівська спектроскопія підтвердила, що вуглецеві нанотрубки, синтезовані методом WA-CVD, демонструють вищий ступінь графітизації (ID/IG ≈ 1,18) та відсутність піків аморфного вуглецю близько 794 см⁻¹, що свідчить про покращену чистоту. Рентгенівський дифракційний аналіз (XRD) виявив утворення графітових вуглецевих (002) та кристалічних фаз Ni₃C, а також зсув піку (002) праворуч до 2θ = 26,2°, що свідчить про стиснення кристалічної решітки, спричинене напруженням, індукованим водяною парою. Зображення просвічувальної електронної мікроскопії (TEM) показали, що вуглецеві нанотрубки, синтезовані в умовах WA-CVD, були тоншими (17–25 нм), довшими (≥ 1 мкм) та чистішими, ніж ті, що були отримані звичайним CVD, які демонстрували товсті покриття з аморфного вуглецю. Ці результати демонструють, що контрольоване додавання водяної пари під час CVD пригнічує утворення аморфного вуглецю, регенерує активні центри каталізатора та значно покращує кристалічність та морфологічну однорідність вуглецевих нанотрубок. Отримані результати пропонують ефективний підхід до синтезу високочистих, добре вирівняних вуглецевих нанотрубок, придатних для використання в термоінтерфейсних матеріалах, нанокомпозитах та електронних пристроях.
Завантаження
Посилання
. S. Iijima, “Helical microtubules of graphitic carbon,” Nature, 354, 56–58 (1991). https://doi.org/10.1038/354056a0
. M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, and P. Avouris, Carbon Nanotubes: Synthesis, Structure, Properties, and Applications, (Springer, Berlin, 2001). https://doi.org/10.1007/3-540-39947-X
. R.H. Baughman, A.A. Zakhidov, and W.A. de Heer, “Carbon nanotubes – the route toward applications,” Science, 297, 787–792 (2002). https://doi.org/10.1126/science.1060928
. J. Robertson, “Growth of carbon nanotubes for electronics,” Materials Today, 10, 36–43 (2007). https://doi.org/10.1016/S1369 7021(06)71790 4
. A. Peigney, C. Laurent, E. Flahaut, R.R. Bacsa, and A. Rousset, “Specific surface area of carbon nanotubes and bundles of carbon nanotubes,” Carbon, 39, 507–514 (2001). https://doi.org/10.1016/S0008-6223(00)00155-X
. D. Tasis, N. Tagmatarchis, A. Bianco, and M. Prato, “Chemistry of carbon nanotubes,” Chemical Reviews, 106, 1105–1136 (2006). https://doi.org/10.1021/cr050569o
. R. Andrews, D. Jacques, D. Qian, and T. Rantell, “Multiwall carbon nanotubes: synthesis and application,” Carbon, 39, 1681 1687 (2001). https://doi.org/10.1021/ar010151m
. I.J. Abdisaidov, S.G. Gulomjanova, I.Kh. Khudaykulov, and K.B. Ashurov, “Low-temperature growth of carbon nanotubes using nickel catalyst,” East European Journal of Physics, (3), 355–358 (2024). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-3-41
. H. Qu, et al. “Reconfiguring organic color centers on the sp2 carbon lattice of single-walled carbon nanotubes,” ACS nano, 16(2), 2077-2087 (2022). https://doi.org/10.1021/acsnano.1c07669
. E.T.C. Vogt, D. Fu, B.M. Weckhuysen, “Carbon deposit analysis in catalyst deactivation, regeneration, and rejuvenation,” Angewandte Chemie International Edition, 62(29), e202300319 (2023). https://doi.org/10.1002/anie.202300319
. S. Maruyama, R. Kojima, Y. Miyauchi, S. Chiashi, and M. Kohno, “Low-temperature synthesis of high-purity single-walled carbon nanotubes from alcohol,” Chemical Physics Letters, 360, 229–234 (2002). https://doi.org/10.1016/S0009-2614(02)00838-2
. A. Reina, M. Hofmann, D. Zhu, and J. Kong, “Growth mechanism of long and horizontally aligned carbon nanotubes by chemical vapor deposition,” Journal of Physical Chemistry C, 111(20), 7292–7297 (2007). https://doi.org/10.1021/jp0711500
. K. Hata, D.N. Futaba, K. Mizuno, T. Namai, M. Yumura, and S. Iijima, “Water-assisted highly efficient synthesis of impurity-free single-walled carbon nanotubes,” Science, 306, 1362–1364 (2004). https://doi.org/10.1126/science.1104962
. T. A. Saleh, “The influence of treatment temperature on the acidity of MWCNT oxidized by HNO₃ or a mixture of HNO₃/H₂SO₄,” Applied Surface Science, 257(17), 7746–7751 (2011). https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2011.04.020
. N. Sezer, and M. Koç, “Oxidative acid treatment of carbon nanotubes,” Surfaces and Interfaces, 14, 1–8 (2019). https://doi.org/10.1016/j.surfin.2018.11.001
. L. Lavagna, M. Bartoli, D. Suarez-Riera, D. Cagliero, S. Musso, and M. Pavese, “Oxidation of Carbon Nanotubes for Improving the Mechanical and Electrical Properties of Oil-Well Cement-Based Composites,” ACS Applied Nano Materials, 5(5), 6671 6678 (2022). https://doi.org/10.1021/acsanm.2c00706
. G. Gao, M. Pan, and C. D. Vecitis, “Effect of the oxidation approach on carbon nanotube surface functional groups and electrooxidative filtration performance,” Journal of Materials Chemistry A, 3(14), 7575–7582 (2015). https://doi.org/10.1039/C4TA07191C
. K. Strobl, and F. Rajab, “Water-Assisted Catalytic VACNT Growth Optimization for Speed and Height,” Processes, 11(6), 1587 (2023). https://doi.org/10.3390/pr11061587
. D. N. Futaba, K. Hata, T. Yamada, K. Mizuno, M. Yumura, and S. Iijima, “Kinetics of water‑assisted single‑walled carbon nanotube synthesis revealed by a time‑evolution analysis,” Physical Review Letters, 95(5), 056104 (2005). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.056104
. Y. Yun, V. Shanov, Y. Tu, S. Subramaniam, and M.J. Schulz, “Growth mechanism of long aligned multiwall carbon nanotube arrays by water-assisted chemical vapor deposition,” The Journal of Physical Chemistry B, 110(47), 23920–23925 (2006). https://doi.org/10.1021/jp057171g
. L. Dong, J. G. Park, B. E. Leonhardt, S. Zhang, and R. Liang, “Continuous synthesis of double‑walled carbon nanotubes with water‑assisted floating catalyst chemical vapor deposition,” Nanomaterials, 10(2), 365 (2020). https://doi.org/10.3390/nano10020365
. A. Ismatov, C. Romanitan, K. Ashurov, M. Adilov, and A. Rahimov, “Annealing-induced morphological evolution of iron nanocatalysts for carbon nanotube growth,” Eurasian Physical Technical Journal, 22(3 (53)), 5–13 (2025). https://doi.org/10.31489/2025N3/5-13
. P. Nikolaev, M.J. Bronikowski, R.K. Bradley, F. Rohmund, D.T. Colbert, K.A. Smith, and R.E. Smalley, “Gas-phase catalytic growth of single-walled carbon nanotubes from carbon monoxide,” Chemical Physics Letters, 313, 91–97 (1999). https://doi.org/10.1016/S0009-2614(99)01029-5
. Z. Chen, X. Wei, S. Lu, J. Ding, N. Du, C. Feng, K. Chen, et al., “Surface in‑situ graphitization and properties of amorphous carbon film induced by laser irradiation,” Friction, 13(6), (2025). https://doi.org/10.26599/FRICT.2025.9440977(12)
. R. Xu, H. Yin, D. He, X. Ma, S. Liang, C. Jin, and X. Chen, “Mechanism of polymer removal from semiconducting single‑walled carbon nanotubes via rapid thermal processing: insights from in situ environmental transmission electron microscopy,” Nanoscale, 17, 14941–14947 (2025). https://doi.org/10.1039/D5NR01566A
. D. Fabris, M. Rosshirt, C. Cardenas, P. Wilhite, T. Yamada, and C.Y. Yang, “Application of carbon nanotubes to thermal interface materials,” Journal of Electronic Packaging, 020902(6), (2011). https://doi.org/10.1115/1.4003864
. Z. Zhang, N. Zhang, and Z. Zhang, “High-Performance Carbon Nanotube Electronic Devices: Progress and Challenges,” Micromachines, 16(5), 554 (2025). https://doi.org/10.3390/mi16050554
. E. W. Fenta, and B. A. Mebratie, “Advancements in carbon nanotube‑polymer composites: Enhancing properties and applications through advanced manufacturing techniques,” Heliyon, 10, (e36490) (2024). https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e36490
. Y. Zhang, Y. Zhu, Y. Cao, D. Li, Z. Zhang, K. Wang, F. Ding, et al., “Size and morphology-controlled synthesis of Ni₃C nanoparticles in a TEG solution and their magnetic properties,” RSC Advances, 6, (2016). https://doi.org/10.1039/C6RA11916F
. A. Cao, C. Xu, J. Liang, D. Wu, and B. Wei, “X‑Ray Diffraction Characterization on the Alignment Degree of Carbon Nanotubes,” Chemical Physics Letters, 344(1‑2), 13–17 (2001). https://doi.org/10.1016/S0009-2614(01)00671-6
Авторське право (c) 2026 Шовкат Бузріков, Ельвіра Ібрагімова, Баходір Сайдуллаєв, Уткір Ульджаєв
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
