碳纳米管（CNTs）因其独特的结构和优异的物理化学性质，在众多领域展现出了巨大的应用潜力。然而，传统的CNTs制备方法往往需要依赖昂贵的设备且过程耗时较长，这限制了CNTs的大规模应用。有鉴于此，本研究致力于探索一种简单、快速且易于操作的CNTs生长新策略，以期为CNTs的广泛应用提供一条高效、便捷的合成途径。
清华大学张莹莹教授团队在《Nano Res》期刊发表名为“Carbothermal shock enabled facile and fast growth of carbonnanotubes in a second”的论文。本研究报道了一种利用碳热冲击（Carbothermal Shock, CTS）技术快速简便地制备碳纳米管（CNTs）的方法。通过使用一种简单的自制设备，利用碳基底上的焦耳加热，实现了在极短的时间内（50毫秒）合成CNTs。实验中使用了负载过渡金属盐的碳化丝绸（Carbonized Silk Fabric, CSF）作为基底，经过40伏特脉冲电压处理后，形成了均匀分布的双金属合金催化剂纳米颗粒（直径约为9纳米），并生长出CNTs。该技术具有高达10^5 K/s的温度变化率。所得样品具有类似蜘蛛毛的结构，具有用于气流传感器或空气过滤器的潜在应用。碳热冲击技术为一种高效、易行的CNTs合成方法，未来也可能适用于其他纳米材料的合成。
图1：展示了碳纳米管在碳化丝绸织物上的生长过程及其形貌。
图2：通过一系列图表展示了CNTs生长过程中CSF的导电性变化。
图3：详细解释了CNTs在CTS过程中的生长机制。
图4：进一步展示了CTS方法在不同碳基底和催化剂下的适用性。
图5：展示了CSF@CNTs在气流传感器和空气过滤器应用中的潜力。
总之，本研究报道了一种创新的碳热冲击方法，用于快速合成碳纳米管。采用了一种简单homemade设备，通过在碳化丝绸织物上加载金属盐乙醇溶液，并施加脉冲电压，实现了在极短的时间内（50毫秒）合成高质量的CNTs。该方法的关键在于利用焦耳加热产生的高温（约1700K），以及由此产生的金属纳米颗粒催化剂，这些催化剂进一步催化CNTs的生长。
研究结果表明，通过调节脉冲电压的参数，可以精确控制碳热冲击的温度和持续时间，进而影响CNTs的生长。此外，乙醇不仅作为金属盐的溶剂，还在高温下发生裂解，提供碳源。本研究揭示了CNTs生长的微观机制，包括金属盐的分解、液态金属的移动和分裂、金属合金纳米颗粒的形成以及CNTs的催化生长过程。
总之，本研究为CNTs的快速合成提供了一种高效、简便的新方法，不仅推动了CNTs的研究和制造，也为其它纳米材料的生长提供了一种新的思路。
来源：Carbontech
