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Kinetic Modulation of Carbon Nanotube Growth in Direct Spinning for High-Strength Carbon Nanotube Fibers

碳纳米管 纺纱 极限抗拉强度 化学 化学气相沉积 催化作用 动力学 纳米管 分解 化学工程 纳米技术 复合材料 材料科学 有机化学 高分子化学 工程类 物理 量子力学
作者
Zuncheng Hu,Xiucai Sun,Xinshi Zhang,Xiangzheng Jia,Caihong Feng,Mingwei Cui,Enlai Gao,Qian Liu,Xin Gao,Jin Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
被引量:12
标识
DOI:10.1021/jacs.4c01705
摘要

With impressive individual properties, carbon nanotubes (CNTs) show great potential in constructing high-performance fibers. However, the tensile strength of as-prepared carbon nanotube fibers (CNTFs) by floating catalyst chemical vapor deposition (FCCVD) is plagued by the weak intertube interaction between the essential CNTs. Here, we developed a chlorine (Cl)/water (H2O)-assisted length furtherance FCCVD (CALF-FCCVD) method to modulate the intertube interaction of CNTs and enhance the mechanical strength of macroscopic fibers. The CNTs acquired by the CALF-FCCVD method show an improvement of 731% in length compared to that by the conventional iron-based FCCVD system. Moreover, CNTFs prepared by CALF-FCCVD spinning exhibit a high tensile strength of 5.27 ± 0.27 GPa (4.62 ± 0.24 N/tex) and reach up to 5.61 GPa (4.92 N/tex), which outperforms most previously reported results. Experimental measurements and density functional theory calculations show that Cl and H2O play a crucial role in the furtherance of CNT growth. Cl released from the decomposition of methylene dichloride greatly accelerates the growth of the CNTs; H2O can remove amorphous carbon on the floating catalysts to extend their lifetime, which further modulates the growth kinetics and improves the purity of the as-prepared fibers. Our design of the CALF-FCCVD platform offers a powerful way to tune CNT growth kinetics in direct spinning toward high-strength CNTFs.
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