基础科学研究所 分子动力学模拟快照显示，与仅由金制成的催化剂相比，用镍(蓝色)和金(黄色)原子制成的合金催化剂生长碳纳米管
两种金属元素的接触诱发分离:金的活性低于镍，被推到生长前沿的顶端
随后碳原子向生长前沿的定向扩散(红色箭头)，导致有效的生长
在用单金属催化剂生长碳纳米管的过程中，碳原子的随机扩散导致它们在催化剂的顶面上积累，增加了封装和生长终止的风险
信用:IBS 韩国基础科学研究所多维碳材料中心的研究人员提出了一个碳纳米管生长长期之谜的理论解决方案
这项发表在《物理评论快报》上的研究解释了为什么与传统的单金属催化剂相比，由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组成的管状纳米结构，具有令人兴奋的潜在特性，这使得研究人员一直在寻找新的进展
生产碳纳米管最常见的方法之一涉及催化剂纳米粒子，其具有促进碳原子从前体分子添加到圆柱体壁的功能
众所周知，合金催化剂，如镍-钇、铁-钼、铜-镍和钴-钼，优于其他单一金属催化剂，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碳纳米管生长中的作用
“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，可以精确地记录碳纳米管生长过程中催化剂颗粒的形状和结构的变化
这使我们能够超越最好的实验方法的能力，”该中心的一位组长和该项研究的相应作者丁峰解释说
通过分子动力学模拟，作者发现该合金的两种金属在管的边缘是空间分离的:碳纳米管倾向于将oms处的活性较高的金属吸引到圆柱体的开口端(生长前沿)，在生长过程中碳原子插入碳纳米管壁，而活性较低的金属原子被推到上方
更多的模拟表明，这是一个普遍现象，可以应用于许多类型的合金催化剂
IBS的研究人员还证明，合金催化剂比单金属纳米粒子更受欢迎，因为碳纳米管边缘附近的活性金属原子比活性较低的原子更容易捕获碳原子
这将导致碳纳米管生长前沿附近的更大的碳浓度和碳原子的快速增加，这有助于碳纳米管的快速生长
由于碳原子不断地结合到生长的碳纳米管中，碳前体不会聚集在合金纳米颗粒周围
这防止了由碳原子构成的覆盖整个纳米粒子的帽的形成
“这项理论研究解决了合金催化剂在碳纳米管生长中的长期难题
该研究的第一作者陆秋说:“它揭示了在碳纳米管生长中使用合金催化剂的优势，合金催化剂的接触诱导相分离可以被认为是指导可控碳纳米管生长的催化剂设计的一般规则。”
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