高通量方法制备单壁碳纳米管的统计规律及机制研究

来源 :中国科学技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:E200902027
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单壁碳纳米管具有结构依赖的物理化学性质,制备结构可控的单壁碳纳米管是实现其优异性能、拓展大规模商业应用的必要前提。然而,高维非线性的生长参数空间与低效率的试错方法,导致实验重复性差、生长参数与单壁碳纳米管结构关系不清晰。本论文通过建立高通量方法高效生长单壁碳纳米管,研究生长参数与碳纳米管的结构之间的统计规律,阐释其生长机制,为单壁碳纳米管的结构可控制备提供借鉴与指导。取得的主要结果如下:建立了 一种高效生长与表征单壁碳纳米管的高通量方法。设计了组合掩模板和数字标记的硅片用于沉积催化剂库,利用化学气相沉积方法(CVD)生长单壁碳纳米管;利用激光拉曼光谱高通量表征样品的呼吸模和G-D模;创建了数据挖掘工具,用于从高通量的拉曼光谱数据中自动提取单壁碳纳米管的结构信息,包括其结晶性(G-D峰强度比即IG/ID)、产率(G模积分面积)和导电属性(呼吸模位置)。高通量筛选和机器学习高效制备高质量单壁碳纳米管。针对单壁碳纳米管的生长参数空间庞大和试错法优化效率低的问题,将高通量方法与机器学习相结合,高效筛选生长参数,制备了高质量的单壁碳纳米管。将包含有64种离散型Co阵列的催化剂库用于生长单壁碳纳米管网络。通过拉曼光谱表征单壁碳纳米管的质量和数据快速处理,获得了 1280组与生长参数相关的IG/ID数据。通过训练的随机森林回归模型,建立了生长参数与单壁碳纳米管质量间的关系,预测了生长高质量单壁碳纳米管的生长参数组合。实验验证后,获得了IG/ID达138的高质量单壁碳纳米管。Co/Pt/Mo催化剂高通量生长单壁碳纳米管的统计规律和机制探索。为统计分析单壁碳纳米管的生长规律及实现其可重复生长,本研究利用鲁棒性的高通量方法制备了 Co/Pt/Mo催化剂库,与正交的CVD参数相结合,研究了生长参数与单壁碳纳米管产率、质量和导电属性富集度之间的统计规律。使用克隆巴赫系数(α)定量评估了实验的重复性,结果发现半导体性单壁碳纳米管富集度的重复性较低(α~0.7),且强烈依赖于生长条件。统计数据表明,在Co/Pt/Mo三元成分图中,富Co区催化剂生长单壁碳纳米管产率和质量较高,且随着Mo/Co比例的增加而先提高后降低,而生长半导体性单壁碳纳米管富集的催化剂成分位于高产率单壁碳纳米管的边界处,且离Pt轴较近。单壁碳纳米管的产率与质量呈正相关,与半导体性单壁碳纳米管的富集度呈负相关。高分辨透射电子显微镜(HRTEM)研究表明,Co-Pt合金纳米颗粒催化剂的尺寸分布均匀,有利于半导体性单壁碳纳米管的富集。Co-Mo/Co分离相稳定了活性Co相,催化剂不易失活,有利于提高单壁碳纳米管的产率。
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