Os pesquisadores introduziram um novo método de etapa única para sintetizar nanotubos de carbono com paredes múltiplas (N-MWCNTs) decoradas com nanopartículas de ferro (Fe) e cobre (Cu) diretamente em substratos de folha de cobre.
Usando assistência de aerossol Deposição de vapor químico (AACVD), eles produziram nanomateriais híbridos que combinam as propriedades dos nanotubos de carbono (CNTs) com as vantagens das nanopartículas de steel.
Um estudo recente publicado na revista Nanotecnologia detalhou a síntese e a caracterização desses materiais, destacando suas propriedades estruturais e eletroquímicas e possíveis aplicações em eletrônicos e armazenamento de energia.
O papel dos nanomateriais de carbono
Os nanomateriais de carbono, principalmente os CNTs, ganharam atenção significativa devido às suas excelentes propriedades elétricas, mecânicas e térmicas. Esses recursos os tornam úteis em eletrônicos, armazenamento de energia e materiais compostos.
A incorporação de nitrogênio na estrutura da CNT melhora ainda mais seu desempenho eletroquímico, resultando em CNTs dopados com nitrogênio (N-CNTs) que têm desempenho ainda melhor em dispositivos como supercapacitores e baterias. No entanto, a otimização das condições de síntese continua sendo um desafio essencial para alcançar N-CNTs de alta qualidade com características estruturais e funcionais desejáveis.
Síntese de nanotubos de carbono dopados com nitrogênio
Os pesquisadores se concentraram em sintetizar N-MWCNTs em substratos de folha de cobre usando um método AACVD de etapa única com uma mistura precursora de benzilamina (C7H9N) e ferroceno (c10H10Fe). A configuração experimental incluiu um reator de tubo de quartzo aquecido por um forno tubular horizontal, com folhas de cobre de 40 cm de comprimento servindo como substratos.
A síntese foi realizada a cinco temperaturas (750 ° C, 800 ° C, 850 ° C, 900 ° C e 950 ° C) por 80 minutos sob um fluxo de gás-hidrogênio de argônio controlado (1 L/min). Essa variação permitiu o estudo de como o calor afetou a morfologia e as propriedades dos N-MWCNTs.
Após a síntese, as amostras foram caracterizadas usando técnicas como microscopia eletrônica de varredura (SEM), microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução (HRTEM), espectroscopia Raman e espectroscopia-dispersiva de energia (eds). Além disso, o software program ImageJ foi usado para analisar tamanhos de nanopartículas, enquanto a espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) foi usada para avaliar o comportamento capacitivo.
Resultados estruturais e composicionais
A temperatura influenciou significativamente a morfologia, composição e comportamento eletroquímico dos N-MWCNTs cultivados em folhas de cobre. A 750 ° C, o materials consistia principalmente em ilhas de grafeno multicamadas e nanopartículas baseadas em Fe e Cu encapsuladas em carbono grafítico, com alguns CNTs também presentes, destacados do substrato de cobre.
As imagens SEM mostraram estruturas tubulares finas com um diâmetro médio de CNT de aproximadamente 8 nm e tamanhos de NP de cerca de 14 nm. A análise EDS indicou concentrações atômicas de carbono (C, 83,82%), Fe (10,94%), Cu (0,92%) e oxigênio (O, 4,32%).
A 800 ° C, o crescimento mudou para feixes N-MWCNT em forma de bambu, com diâmetros variando de 5 nm a 40 nm e uma alta densidade de nanopartículas de Fe e Cu. As EDs apresentaram composição elementar supreme com C (92,08%), Fe (5,59%), Cu (0,20%) e O (2,13%), sugerindo decomposição eficiente de benzilamina e incorporação aprimorada de nitrogênio. TEM confirmou que foram produzidos dois tipos distintos de CNTs: N-MWCNTs mais espessos em forma de bambu, decorados com nanopartículas de Fe e CNTs mais finos provavelmente catalisados por nanopartículas de Cu.
A 850-950 ° C temperaturas de síntese, agregados carbonáceos do tipo fibra de fibra de defesa tubular (~ 500 nm) foram produzidos com menos CNTs. As EDs indicaram concentrações elementares flutuantes, com a amostra 950 exibindo o maior teor de Cu (5,74%) e o menor teor de Fe (2,88%).
A espectroscopia Raman confirmou a natureza grafítica dos materiais sintetizados, mostrando bandas claras D, G e 2D. O EUD/EUG A proporção variou de 0,79 a 0,88, indicando distúrbios estruturais moderados, enquanto o descendente da banda G sugeriu uma grafitização melhorada.
O EIS indicou que os n-MWCNTs sintetizados a 800 ° C exibiram comportamento capacitivo promissor, com uma resistência à transferência de carga (RCt) de 1884 Ω e uma capacitância de camada dupla (Cdl) de 1,07 × 10-1 Fcm-2tornando -os adequados para aplicações de armazenamento de energia.
Por outro lado, as amostras sintetizadas a 850 ° C e 950 ° C apresentaram limitações de difusão e valores de capacitância significativamente mais baixos, mostrando que 800 ° C forneceram o equilíbrio mais favorável de ordem estrutural e desempenho eletroquímico.
Aplicações de nanotubos de carbono dopados com N
Os materiais híbridos sintetizados têm potencial significativo para uso em dispositivos de armazenamento de energia, principalmente supercapacitores. Os N-MWCNTs sintetizados a 800 ° C demonstraram resistência de baixa transferência de carga e capacitância de alta camada dupla, indicando excelente capacidade de armazenamento de carga. Seu doping de nitrogênio e decoração com nanopartículas de steel melhoraram o desempenho eletroquímico, tornando -as adequadas para eletrônicos flexíveis.
Uma vantagem importante desse método é o crescimento direto de N-MWCNTs em substratos de cobre, o que elimina a necessidade de ligantes ou colecionadores de corrente e reduz a resistência interfacial. Essa simplificação pode permitir a criação de dispositivos de energia leve, eficiente e estável.
Além dos supercapacitores, esses N-MWCNTs também podem melhorar as baterias de íons de lítio e outros sistemas de carga rápida. Sua capacidade de ajustar sua estrutura e o conteúdo de nanopartículas de steel oferece oportunidades para aplicações de catálise e detecção.
Conclusão e direções futuras
Esta pesquisa demonstrou com sucesso a síntese de AACVD de n-MWCNTs em substratos de cobre, destacando a forte influência da temperatura da síntese na morfologia, composição e propriedades eletroquímicas dos nanomateriais resultantes. A temperatura supreme de 800 ° C produziu N-MWCNTs em forma de bambu, decorados com nanopartículas de Fe e Cu, mostrando alto teor de carbono e excelente comportamento capacitivo.
Trabalhos futuros devem se concentrar não apenas nos parâmetros de síntese de ajuste fino e na exploração de combinações alternativas de precursores, mas também no teste de diferentes materiais de substrato e condições de deposição, o que pode produzir uma variedade maior de nanomateriais híbridos com propriedades personalizadas.
A investigação de modificações no substrato e projetos de materiais híbridos pode desenvolver eletrodos com comportamento eletroquímico aprimorado e aplicações além do armazenamento de energia, como detecção e catálise.
No geral, este estudo oferece informações importantes sobre o crescimento controlado de nanomateriais híbridos de carbono e abre caminho para aplicações inovadoras em um campo mais amplo.
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Referência do diário
Padilla-teniente, B, V., & et al. (2025). Folhas de cobre como substratos para o crescimento de nanotubos de carbono dopados com nitrogênio. NanotecnologiaAssim, 36365601. Doi: 10.1088/1361-6528/ae0042, https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6528/ae0042