تاثیر نانوکاتالیست های آلیاژی در رشد نانولوله های کربنی

برای صرفه‌جویی اقتصادی و استفاده بهینه از نانوکاتالیست، معمولاً آن را به‌صورت کامپوزیت می‌سازند و سطح آن را مورد اصلاح شیمیایی قرار می‌دهند. تحقیقات در حوزه نانوکاتالیست، همواره یکی از بحث‌های جذاب در نانوشیمی و شیمی سبز (Green Chemistry) بوده است.

پژوهشگران مرکز مواد کربنی چندبعدی با همکاری پژوهشگرانی از موسسه علم پایه در کره‌جنوبی رهیافت نظری برای رشد نانولوله‌های کربنی ارائه کردند. در مقاله‌ای که این گروه در نشریه Physical Review Letters به چاپ رساندند، توضیح دادند که چرا نانوذراتی که از آلیاژ فلزی ایجاد می‌شوند به سنتز نانولوله‌های کربنی طویل کمک می‌کنند و چه تفاوتی میان این آلیاژ‌های چند فلزی و کاتالیست‌های تک‌فلزی رایج در تولید نانولوله‌های کربنی است.

نانولوله‌های کربنی ساختار‌های لوله‌ای از جنس کربن هستند که برای سنتز آن‌ها معمولا از نانوذرات کاتالیست استفاده می‌شود تا افزوده شدن اتم‌های کربن از مولکول‌های پیش‌ماده به دیواره نانولوله‌کربنی را تسهیل کند.

پیش از این مشخص شده بود که کاتالیست‌های آلیاژی از جنس نیکل – مس یا نیکل – مولیبدن نسبت به آلیاژ‌های فلزی منفرد عملکرد بهتری دارند، اما دلیل آن مشخص نبود.

پژوهشگران این پروژه با انجام شبیه‌سازی مولکولی سیستماتیک به دنبال نقش کاتالیست‌های آلیاژی در رشد نانولوله‌های کربنی بودند. فنگ دینگ، رهبر این گروه تحقیقاتی می‌گوید: «در شبیه‌سازی مولکولی، حرکت هر اتم به وضوح دیده می‌شود؛ بنابراین، اختلاف شکل و ساختار ذرات کاتالیست در طول رشد نانولوله‌ها را می‌توان با دقت ثبت کرد. با این کار ما می‌توانیم ظرفیت‌های روش‌های رایج را افزایش دهیم.»

محققان این پروژه با استفاده از شبیه‌سازی مولکولی نشان دادند که دو فلز آلیاژ در لبه نانولوله از هم جدا عمل می‌کنند، نانولوله‌های کربنی تمایل به جذب اتم‌های فلز بیشتری دارند تا سر لوله را باز نگه دارند که این کار باعث رشد نانولوله می‌شود، در حالی که اتمی که فعالیت کمتری دارد به سمت بالا هدایت می‌شود. شبیه‌سازی‌های بیشتر نشان داد که این پدیده در کاتالیست‌های فلزی مختلف عمومیت دارد.

این گروه تحقیقاتی نشان دادند که کاتالیست‌های آلیاژی نسبت به نانوذرات تک فلزی عملکرد بهتری دارند چرا که اتم‌های فلزی نزدیک حاشیه نانولوله‌های کربنی اتم‌های کربن بیشتری را نسبت به اتم فلزی با فعالیت کمتر، جذب می‌کند. با این کار اتم‌های کربن بیشتری در مجاورت نانولوله‌کربنی قرار می‌گیرد و افزوده شدن اتم‌های کربن به نانولوله‌ها تسریع شده و در نهایت رشد نانولوله‌های کربنی با سرعت بالاتری انجام می‌شود.