A new insight on the mechanisms of filling closed carbon nanotubes with molten metal iodides

Filling double-walled carbon nanotubes with iodine and various metal iodides (metals, alkali metals and transition metals) by the molten phase method was performed and the influence of possibly relevant chemical and physical properties of the filling materials on the filling rate was investigated. It was found, within the metal iodides series, that the filling rate can be mainly related to the redox potential (E MIx/M) of the filling material. Other parameters such as the possible formation of dimers, surface tension, or the early release of iodine may also play an additional role in the filling process

The Unexpected Complexity of Filling Double-Wall Carbon Nanotubes With Nickel (and Iodine) 1-D Nanocrystals

A variety of iodine-based one-dimensional (1-D) nanocrystals were introduced into double-wall carbon nanotubes (DWCNTs) using the molten phase method, as an intermediate step for ultimately obtaining encapsulated metal nanowires. Based on high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) observations using different imaging modes (bright field, dark field, and scanningTEM)and associated analytical tools (electron energy loss spectroscopy), it is revealed that the reality of nanotube filling is much more complex than expected. For some iodides (typically NiI2 ), earlier decomposition during the filling step was observed, which could not be anticipated from the known data on the bulk material. Other filling materials (e.g., iodine) show a variety of atomic structuration inside and outside the CNTs, which is driven by the available space being filled. Most of the encapsulated structures were confirmed by modelin

Observation of strong Kondo like features and co-tunnelling in superparamagnetic GdCl3 filled 1D nanomagnets

Filling of carbon nanotubes has been tailored over years to modify the exceptional properties of the 1-dimensional conductor for magnetic property based applications. Hence, such a system exploits the spin and charge property of the electron, analogous to a quantum conductor coupled to magnetic impurities, which poses an interesting scenario for the study of Kondo physics and related phenomena. We report on the electronic transport properties of MWNTs filled with GdCl3 nanomagnets, which clearly show the co-existence of Kondo correlation and cotunelling within the superparamagnetic limit. The Fermi liquid description of the Kondo effect and the interpolation scheme are fitted to the resistance-temperature dependence yielding the onset of the Kondo scattering temperature and a Kondo temperature for this nanocomposite, respectively. Cotunneling of conduction electrons interfering with a Kondo type interaction has been verified from the exponential decay of the intensity of the fano shaped nonzero bias anomalous conductance peaks, which also show strong resonant features observed only in GdCl3 filled MWNT devices. Hence, these features are explained in terms of magnetic coherence and spin-flip effects along with the competition between the Kondo effect and co-tunneling. This study raises a new possibility of tailoring magnetic interactions for spintronic applications in carbon nanotube systems

Charged iodide in chains behind the highly efficient iodine doping in carbon nanotubes

The origin of highly efficient iodine doping of carbon nanotubes is not well understood. Relying on firstprinciples calculations, we found that iodine molecules (I2) in contact with a carbon nanotube interact to form monoiodide or/and polyiodide from two and three I2 as a result of removing electrons from the carbon nanotube (p-type doping). Charge per iodine atom for monoiodide ion or iodine atom at end of iodine chain is significantly higher than that for I2. This atomic analysis extends previous studies showing that polyiodide ions are the dominant dopants. Moreover, we observed isolated I atoms in atomically resolved transmission electron microscopy, which proves the production of monoiodide. Finally, using Raman spectroscopy, we quantitatively determined the doping level and estimated the number of conducting channels in high electrical conductivity fibers composed of iodine-doped double-wall carbon nanotubes

The investigation of 1D nanocrystals confined in carbon nanotubes

Le remplissage des nanotubes de carbone (NTC) est considéré comme une approche relativement simple permettant de synthétiser des nanocristaux du fait de l'effet de confinement 1D imposé par la cavité centrale des NTC, qui peut être seulement de l'ordre du nanomètre ou moins, notamment dans le cas des NTC monoparoi et en particulier des NTC biparois (DWCNT) sur lesquels nous avons concentré nos efforts. De tels nanocristaux devraient avoir des propriétés physiques (électriques, magnétiques) différentes de celles de leurs équivalents à l'état massif du fait de la modification de la coordinence des atomes ou des ions les composant. Parmi les différentes méthodes existantes pour le remplissage des NTC, (in situ pendant la synthèse, a posteriori à partir de solutions), la méthode faisant intervenir des matériaux fondus est la plus populaire pour le remplissage par des matériaux inorganiques. Elle permet en effet d'atteindre des taux de remplissage raisonnablement élevés et demeure assez simple à mettre en œuvre. Cependant, elle fait preuve d'un certain nombre de limitations (techniques) qui posent problème dans le cas de matériaux à haut point de fusion (typiquement > 1000°C), dont la réactivité avec le carbone à haute température pourrait être gênante (carboréduction des oxydes par exemples), ou encore dont la faible mouillabilité vis-à-vis du carbone à l'état fondu est rédhibitoire (métaux par exemple). Il est possible de palier à cette difficulté en procédant par étapes successives et en remplissant d'abord les NTC avec un précurseur puis d'utiliser la cavité interne des NTC comme des nanoréacteurs afin de procéder dans un second temps à une transformation in situ. Dans ces travaux, nous avons étudié (1) le remplissage de DWCNT avec de l'iode ainsi qu'avec différents iodures métalliques en mettant en œuvre essentiellement la méthode des sels fondus. Nous avons étudié en détails l'influence des paramètres physico-chimiques du matériau de remplissage (réactivité chimique sous la forme en particulier du potentiel rédox du couple iodure métallique / métal, mais aussi viscosité, tension de surface, pression de vapeur saturante en milieu fondu) mais aussi du NTC (texture cylindrique ou "en arrêtes de poisson", diamètre, nombre de parois) sur le taux de remplissage. (2) Nous avons étudié en détail un certain nombre de structures inhabituelles de nanomatériaux confinés dans les DWCNT, en faisant appel à la modélisation structurale et à la simulation d'images de microscopie électronique sur la base de ces modèles pour guider notre analyse. (3) Nous avons enfin étudié différentes réactions in situ dans les DWCNT telles que la sulfuration, la réduction sous hydrogène ou encore la fluoration afin de synthétiser des nanocristaux originaux et de les caractériser en détails à l'aide d'outils tels que par exemple le MET Haute Résolution et la spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS).Filling carbon nanotubes (CNTs) has been considered as an easy approach to synthesize various nanocrystals since the inserted materials are forced to adopt a nearly one-dimensional morphology arising from their very high aspect ratio, especially in the case of single-walled CNTs (SWCNTs) or double-walled CNTs (DWCNTs). Nanocrystals/nanowires of transition metals, especially those with very narrow diameters, are predicted to exhibit peculiar magnetic property differing from the bulk metals. Filling CNTs provides a possible way for the synthesis of such metal nanocrystals/nanowires. There are several methods for filling CNTs including the in situ method, gas phase method, molten phase method, solution method, etc. Among them, molten phase has been very popular for filling various types of nanotubes due to the possibility to reach high filling rates, simplicity and versatility. However, for materials with high melting point such as metals, it is difficult to insert them into CNTs directly. To solve this problem, we also took advantage of the inner cavity of CNTs which not only templates the growth but also acts as a nanoreactor in order to perform chemical reactions. The insertion of materials with high melting point is typically achieved by first filling CNTs with a precursor, and then transforming the precursor into the desired 1D nanostructure by post-treatments. In this thesis, (i) filling DWCNTs with iodine and various halides via the molten phase method was performed and the influence of the relevant physical and chemical properties of the halides on the filling rate was investigated. The role of the redox potential as a main parameter driving the filling efficiency is pointed out, and explained; (ii) peculiar structures of the nanocrystals confined within DWCNTs were imaged by transmission electron microscopy (TEM) and corresponding modeling of the observed crystal nanostructures and related TEM images were proposed; (iii) different in situ transformations on the iodide-filled DWCNTs were attempted and the chemical composition of the encapsulated 1D nanocrystals before and after post-filling treatments was systematically identified by means of electron energy loss spectroscopy (EELS)

Etude de nanocristaux unidimensionnels confinés dans des nanotubes de carbone

Filling carbon nanotubes (CNTs) has been considered as an easy approach to synthesize various nanocrystals since the inserted materials are forced to adopt a nearly one-dimensional morphology arising from their very high aspect ratio, especially in the case of single-walled CNTs (SWCNTs) or double-walled CNTs (DWCNTs). Nanocrystals/nanowires of transition metals, especially those with very narrow diameters, are predicted to exhibit peculiar magnetic property differing from the bulk metals. Filling CNTs provides a possible way for the synthesis of such metal nanocrystals/nanowires. There are several methods for filling CNTs including the in situ method, gas phase method, molten phase method, solution method, etc. Among them, molten phase has been very popular for filling various types of nanotubes due to the possibility to reach high filling rates, simplicity and versatility. However, for materials with high melting point such as metals, it is difficult to insert them into CNTs directly. To solve this problem, we also took advantage of the inner cavity of CNTs which not only templates the growth but also acts as a nanoreactor in order to perform chemical reactions. The insertion of materials with high melting point is typically achieved by first filling CNTs with a precursor, and then transforming the precursor into the desired 1D nanostructure by post-treatments. In this thesis, (i) filling DWCNTs with iodine and various halides via the molten phase method was performed and the influence of the relevant physical and chemical properties of the halides on the filling rate was investigated. The role of the redox potential as a main parameter driving the filling efficiency is pointed out, and explained; (ii) peculiar structures of the nanocrystals confined within DWCNTs were imaged by transmission electron microscopy (TEM) and corresponding modeling of the observed crystal nanostructures and related TEM images were proposed; (iii) different in situ transformations on the iodide-filled DWCNTs were attempted and the chemical composition of the encapsulated 1D nanocrystals before and after post-filling treatments was systematically identified by means of electron energy loss spectroscopy (EELS).Le remplissage des nanotubes de carbone (NTC) est considéré comme une approche relativement simple permettant de synthétiser des nanocristaux du fait de l'effet de confinement 1D imposé par la cavité centrale des NTC, qui peut être seulement de l'ordre du nanomètre ou moins, notamment dans le cas des NTC monoparoi et en particulier des NTC biparois (DWCNT) sur lesquels nous avons concentré nos efforts. De tels nanocristaux devraient avoir des propriétés physiques (électriques, magnétiques) différentes de celles de leurs équivalents à l'état massif du fait de la modification de la coordinence des atomes ou des ions les composant. Parmi les différentes méthodes existantes pour le remplissage des NTC, (in situ pendant la synthèse, a posteriori à partir de solutions), la méthode faisant intervenir des matériaux fondus est la plus populaire pour le remplissage par des matériaux inorganiques. Elle permet en effet d'atteindre des taux de remplissage raisonnablement élevés et demeure assez simple à mettre en œuvre. Cependant, elle fait preuve d'un certain nombre de limitations (techniques) qui posent problème dans le cas de matériaux à haut point de fusion (typiquement > 1000°C), dont la réactivité avec le carbone à haute température pourrait être gênante (carboréduction des oxydes par exemples), ou encore dont la faible mouillabilité vis-à-vis du carbone à l'état fondu est rédhibitoire (métaux par exemple). Il est possible de palier à cette difficulté en procédant par étapes successives et en remplissant d'abord les NTC avec un précurseur puis d'utiliser la cavité interne des NTC comme des nanoréacteurs afin de procéder dans un second temps à une transformation in situ. Dans ces travaux, nous avons étudié (1) le remplissage de DWCNT avec de l'iode ainsi qu'avec différents iodures métalliques en mettant en œuvre essentiellement la méthode des sels fondus. Nous avons étudié en détails l'influence des paramètres physico-chimiques du matériau de remplissage (réactivité chimique sous la forme en particulier du potentiel rédox du couple iodure métallique / métal, mais aussi viscosité, tension de surface, pression de vapeur saturante en milieu fondu) mais aussi du NTC (texture cylindrique ou "en arrêtes de poisson", diamètre, nombre de parois) sur le taux de remplissage. (2) Nous avons étudié en détail un certain nombre de structures inhabituelles de nanomatériaux confinés dans les DWCNT, en faisant appel à la modélisation structurale et à la simulation d'images de microscopie électronique sur la base de ces modèles pour guider notre analyse. (3) Nous avons enfin étudié différentes réactions in situ dans les DWCNT telles que la sulfuration, la réduction sous hydrogène ou encore la fluoration afin de synthétiser des nanocristaux originaux et de les caractériser en détails à l'aide d'outils tels que par exemple le MET Haute Résolution et la spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS)

Electrical Removal Behavior of Carbon Nanotube and Carbon Nanofiber Film in CuCl2 Solution: Kinetics and Thermodynamics Study

The kinetics, thermodynamics, and isotherms during electrical removal of Cu2+ by carbon nanotube and carbon nanofiber (CNT-CNF) electrodes in CuCl2 solution were studied under different solution temperatures, initial Cu2+ concentrations, and applied voltages. The result shows that Langmuir isotherm can describe experimental data well, indicating monolayer adsorption, and higher Cu2+ removal and rate constant are achieved at higher voltage, lower initial Cu2+ concentration, and higher solution temperature. Meanwhile, the thermodynamics analyses indicate that the electrical removal of Cu2+ onto CNT-CNF electrodes is mainly driven by a physisorption process

Filling mechanisms, composition, structure, and properties of halide-filled DWCNTs

International audienc

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