[論文レビュー] Acetylene-Accelerated Alcohol Catalytic CVD Growth of Vertically Aligned Single-Walled Carbon Nanotubes

Rong Xiang, Erik Einarsson+3 more|ArXiv.org|Nov 26, 2008

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、アルコール触媒CVDにおいてエタノールに僅か1%のアセチレンを添加するだけで、垂直配向単層カーボンナノチューブ（SWNTs）の成長速度が最大10倍に向上することを示している。この向上は、アセチレンが迅速な炭素源として機能する一方でエタノールが触媒の活性を維持し、逆転可能な触媒再生によって、長期間にわたり高い成長速度を維持できるという相乗的反応経路に起因する。

ABSTRACT

Addition of only 1% of acetylene into ethanol was found to enhance the growth rate of singlewalled carbon nanotubes (SWNTs) by up to ten times. Since acetylene is a byproduct of the thermal decomposition of ethanol, this suggests an alternative fast reaction pathway to the formation of SWNTs from ethanol via byproducts of decomposition. This accelerated growth, however, only occurred in the presence of ethanol, whereas pure acetylene at the same partial pressure resulted in negligible growth and quickly deactivated the catalyst. The dormant catalyst could be revived by reintroduction of ethanol, indicating that catalyst deactivation is divided into reversible and irreversible stages.

研究の動機と目的

• エタノールを基盤とするCVDにおけるアセチレンのSWNT成長促進剤としての役割を調査すること。
• エタノールにアセチレンを添加した際のSWNT成長速度の著しい加速の背後にあるメカニズムを理解すること。
• 触媒の不活性化挙動を明確にし、その逆転が可能な条件を同定すること。
• エタノールの分解生成物とアセチレンの相乗的相互作用が、高収率で垂直配向したSWNTの成長を可能にする仕組みを調査すること。

提案手法

• エタノールを主たる炭素源として用い、アセチレンを制御的に添加したアルコール触媒CVDを実施した。
• アセチレン濃度を全ガス流量の1%に変化させ、SWNTの核生成および成長速度に与える影響を評価した。
• 時間経過に伴う触媒活性をモニタリングし、純粋なアセチレンでは不活性化が生じ、エタノールの再導入により回復することを観察した。
• 成長キネティクスと触媒状態の相関をin situ分析により評価し、可逆的および不可逆的な不活性化段階を区別した。
• ガス相分析を用いてエタノールの分解生成物を追跡し、アセチレンが主要な副生成物であることを同定した。
• 純粋なエタノール、純粋なアセチレン、および1%アセチレン添加エタノールの3条件を比較し、アセチレンの影響を隔離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エタノールにアセチレンを添加することで、CVDにおける垂直配向単層カーボンナノチューブの成長速度にどのような影響を与えるか？
• RQ2 アセチレンはエタノールからのSWNT形成反応経路において、どのように機能するか？
• RQ3 アセチレンは炭素含有量が豊富な前駆体であるにもかかわらず、なぜ純粋なアセチレンではSWNTの成長を維持できないのか？
• RQ4 アセチレンのみの条件下での触媒不活性化は逆転可能か？ もしそうなら、そのメカニズムは何か？
• RQ5 エタノールとアセチレンの両者が、高品質で垂直配向したSWNTの形成に果たす相対的寄与は何か？

主な発見

• エタノールに僅か1%のアセチレンを添加したことで、純粋なエタノールと比較してSWNTの成長速度が最大10倍に向上した。
• アセチレンは、エタノールが存在する条件下でのみ、迅速に反応する炭素源として機能し、核生成と成長を加速する。
• 同じ部分圧下で純粋なアセチレンでは、SWNTの成長はほとんど認められ、触媒の不活性化も急速に進行した。
• 純粋なアセチレン下での触媒不活性化は部分的に逆転可能であり、エタノールの再導入により成長活性が回復した。
• 結果から、二重経路メカニズムが示唆される：エタノールが触媒の安定化環境を提供する一方で、アセチレンが炭素供給効率を向上させる。
• エタノールとアセチレンの相乗作用により、炭素供給と触媒の耐久性のバランスが取られ、高成長速度で垂直配向SWNTの合成が可能になった。