افزایش عملکرد کاتالیستی نیکل با افزودن مقدار کمی طلا

یکی از رایج‌ترین روش‌های تولید نانولوله‌های کربنی، استفاده از روش CVD است که در آن از کاتالیست‌های نیکل استفاده می شود. محققان نشان دادند که با افزودن مقدار کمی طلا به نیکل می‌توان عملکرد کاتالیست را بهبود داد.

پژوهشگران CNST و دانشگاه ایالتی آریزونا نشان دادند که با افزودن مقداری کمی طلا ( کمتر از ۰٫۲ کسر مولی) می‌توان فعالیت کاتالیستی ذرات نیکل را در تشکیل نانولوله‌های کربنی افزایش داد.

در مقاله‌ای تحت عنوان Evaluation of the role of Au in improving catalytic activity of Ni nanoparticles for the formation of one-dimensional carbon nanostructures که این گروه تحقیقاتی در نشریه Nano Letters به چاپ رساندند به بررسی اثر کاتالیستی نانوذرات Au/SiO2 ، Au/SiO2 و Au-Ni/SiO2 پرداختند.

آنها با استفاده از روش تصویربرداری میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) اثر این کاتالیست‌ها را روی تشکیل نانوالیاف و نانولوله‌های کربنی بررسی کردند. نانولوله‌های کربنی را به‌صورت معمول با استفاده از روش رسوب شیمیایی از فاز بخار تولید می‌کنند. در این روش منابع کربن ترکیباتی نظیر استیلن بوده که نانولوله‌ها روی ذرات کاتالیست نظیر نیکل ایجاد می‌شوند. لازم به‌ذکر است که تنها تعداد محدودی کاتالیست قابل استفاده در این روش است. چنین محدودیتی روی دانسیته نهایی و محل تشکیل نانوساختارهای تولید شده تاثیرگذار خواهد بود که این مسئله فاکتور مهمی در به‌کارگیری از نانوساختار است.

تصاویر با قدرت تفکیک بالا و اطلاعات طیف سنجی که در طول سنتز و بعد از آن به‌دست آمده، نشان می‌دهد که بیشتر ذرات طلا به‌هم چسبیده و تشکیل سایت‌های فعالی را می‌دهد. این سایت‌ها تنها با افزودن مقدار کمی طلا ایجاد می‌شود. نتایج کار آنها نشان می‌دهد که ساختار ذرات کاتالیستی نیکل از حالت فلز fcc به کاربید نیکل اورترومبیک (Ni3C) تغییر شکل می‌دهد.

محققان معتقدند که به‌دلیل شرایط تعادل دینامیک که در این واکنش وجود دارد، کاربیدها تشکیل می‌شوند. محاسبات تئوری تابع دانسیته این فرضیه را تایید می‌کند که مقادیر اندکی از طلا ( کسر مولی ۰٫۰۶ ) موجب افزایش تعداد سایت‌های فعال برای تشکیل نانوساختارهای کربنی می‌شود. دلیل این امر کاهش انرژی سد نفوذ کربن است به‌طوری که در کاتالیست نیکل خالص این رقم ۱٫۶۲ الکترون ولت بوده در حالی که در نیکل تقویت شده با طلا ۰٫۰۷ الکترون ولت است. پژوهشگران این روش را برای ارزیابی نقش تشکیل کاربید فلزی در فعالیت دیگر کاتالیست‌های فلزی ، نظیر آهن و کبالت، درسنتز نانولوله‌های کربنی به‌کار می‌گیرند.