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Chirality-Dependent Growth Rate of Carbon Nanotubes - A Theoretical Study
We consider geometric constraints for the addition of carbon atoms to the rim
of a growing nanotube. The growth of a tube proceeds through the conversion of
dangling bonds from armchair to zigzag and vice versa. We find that the growth
rate depends on the rim structure (chirality), the energy barriers for dangling
bond conversion, and the growth temperature. A calculated chirality
distribution derived from this minimalistic theory shows surprisingly good
agreement with experiment. Our ideas imply that the chirality distribution of
carbon nanotubes can be influenced by external parameters.Comment: 5 pages, 3 figures, 4 formulas, 1 table, approx 4000 word
Sol–gel chemistry mediated Zn/Al-based complex dispersant for SWCNT in water without foam formation
We report a bimetallic Zn/Al complex as an efficient inorganic dispersant for SWCNT, synthesized from Zn(CH3COO)(2) and Al(NO3)(3). The Zn/Al complex shows more than four times greater efficiency at dispersing SWCNT than widely used surfactants (CTAB and SDS). Besides remarkable dispersibility, the Zn/Al complex does not foam upon any shaking treatment and it can be used just after quick dissolution of the powdered form, which is a marked advantage over surfactants. The Zn/Al complex, containing amorphous Al(CH3COO)(3) and a complex of Zn2+ and NO3- ions, should have a unique dispersion mechanism, differing from the surfactants. Al(CH3COO)(3) has higher affinity for SWCNT than ions, adsorbing onto its surface in the first layer and attracting Zn2+ and NO3- ions. Charge transfer interactions between the Zn/Al complex and SWCNT, as evidenced by optical absorption spectroscopy, should induce a charge on SWCNT; the zeta potential of such coated SWCNT was +55 mV, indicating a high dispersion stability in aqueous media. Hence, the Zn/Al complex can widen the applications of SWCNT to various technologies such as the transparent and conductive films, as well as high performance composite polymers. (C) 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.ArticleCARBON. 94:518-523 (2015)journal articl
Ein Weg zu monochiralen Kohlenstoffnanoröhrenaggregaten und ihre Eigenschaften
This thesis studies the synthesis of carbon nanotubes and properties of
monochiral carbon nanotube bundles. The synthesis is studied with a focus on
chiral selectivity for which a simplistic growth model based on geometric
arguments is developed, which is based on preliminary work performed in the
diploma thesis of the author, see the References. We performed density
functional theory calculations of carbon nanotube cap structures on nickel,
iron and nickel-iron alloy catalyst clusters to obtain input parameters for
our growth model. The adhesion and excess energies between nanotube caps and
catalyst particles vary in a wide range between different chiralities and
catalyst compositions; In contrast to earlier calculations on flat surfaces we
do not find evidence for a preference of certain chiralities. However, a
higher charge transfer to armchair caps than to zigzag caps and increasing
charge transfer with higher iron content in the catalyst particle is observed,
which induces an electric dipole moment. This points to a higher reactivity of
armchair edges and a faster growth rate on iron compared to nickel. Our growth
model leads to chirality dependent growth rates during the growth
phase/elongation process of the nanotubes that depends on the catalyst
composition, which has recently been experimentally confirmed by Rao et al.
and Chiang et al.. The number of carbon edge atoms decreases from armchair to
zigzag edges, which serves as a simple geometric argument for a lower growth
rate of low chiral angle (zigzag) tubes, as the number of carbon atoms that
can add at the edge is reduced compared to higher chiral angle (e. g.
armchair) tubes. The study on the nanotube bundles focuses on the bundling and
debundling process of carbon nanotubes and the electronic properties of the
bundles, especially the dependence on the intertube orientation is considered.
We find that nanotubes that share symmetry operations (e. g. a
screw-rotation axis) of the bundle show a dependence of the electronic
structure, the binding energy and the intertube distance on the orientation of
the tubes inside of the bundle. The orientation dependence allows to adjust
the properties of the tubes and leads to a rich electronic behavior, e. g.
switching between semi-metallic and metallic character. Tubes that do not
share symmetry elements do not show a dependence of their properties on the
intertube orientation. In conclusion we were able to show, that carbon
nanotubes have a chirality dependent growth rate, which together with post
processing methods allows to produce monochiral bundles with fascinating
properties.Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Herstellung von
Kohlenstoffnanoröhren und den Eigenschaften von monochiralen Bündeln. Der
Fokus bei der Untersuchung des Wachstumprozesses liegt auf der Produktion von
chiral-selektierten Kohlenstoffnanoröhren, wobei ein einfaches geometrisches
Wachstumsmodell basierend auf den Vorarbeiten in der Diplomarbeit des Autors,
siehe Referenzen, entwickelt wird. Systeme aus Kohlenstoffkappen und
katalytischen Partikeln aus Metallen wurden mit Hilfe der Dichte-Funktional-
Theorie berechnet, um Parameter für das Wachstumsmodell zu bestimmen. Die
Adhäsions- und Überschussenergien zwischen Kappen und Partikeln zeigen eine
große Varianz in Abhängigkeit der Chiralität der Kappen und Komposition der
Partikel. Im Gegensatz zu früheren Studien auf flachen Oberflächen, finden wir
keinen Hinweis auf die Bevorzugung bestimmter Chiralitäten. Stattdessen finden
wir einen höheren Ladungstransfer zu Armchair-Kappen als zu Zigzag-Kappen, der
auch mit höherem Eisenanteil im Partikel ansteigt und dadurch ein elektrisches
Dipolmoment induziert. Dies weist auf eine höhere Reaktivität der Armchair-
Enden und eine schnellere Wachstumsrate auf Eisen im Vergleich zu Nickel hin.
Unser Wachstumsmodell liefert eine chiralitäts- und
katalysatorzusammensetzungsabhängige Wachstumsrate, welche kürzlich
experimentell beobachtet wurde, siehe Rao et al. und Chiang et al.. Die Anzahl
an Kohlenstoffatomen am Ende der Röhre sinkt von hohen chiralen Winkeln
(armchair) zu tiefen chiralen Winkeln (zigzag). Dies liefert ein geometrisches
Argument für eine schnellere Wachstumsrate an Röhren mit hohen chiralen
Winkeln, da für diese mehr Atome pro Zeit hinzugefügt werden können. Der Fokus
bei der Untersuchung der Bündel liegt auf dem Bündelungs- und
Entbündelungsprozess sowie auf den elektronischen Eigenschaften der Bündel.
Speziell wurden die Eigenschaften in Abhängigkeit der Orientierung der Röhren
im Bündel zueinander untersucht. Nanoröhren, die Symmetrieoperationen mit dem
Bündel teilen, zeigen eine Orientierungsabhängigkeit der Bindungsenergie, des
Röhrenabstandes sowie der elektronischen Struktur. Eine Änderung der
Orientierung der Röhren erlaubt es z. B. zwischen metallischem und semi-
metallischem Charakter zu wechseln. Röhren, die keine Symmetrieoperationen mit
dem Bündel teilen, zeigen keine Orientierungsabhängigkeit der Eigenschaften
How a Zigzag Carbon Nanotube Grows
Owing to the unique structure of zigzag (ZZ) carbon nanotubes (CNTs), their ring-by-ring growth behavior is different from that of chiral or armchair (AC) CNTs, on the rims of which kinks serve as active sites for carbon attachment. Through first-principle calculations, we found that, because of the high energy barrier of initiating a new carbon ring at the rim of a ZZCNT, the growth rate of a ZZCNT is proportional to its diameter and significantly (10-1000 times) slower than that of other CNTs. This study successfully explained the broad experimental observation of the lacking of ZZ CNTs in CNT samples and completed the theory of CNT growth