甲烷扩散火焰快速原位合成碳纳米管实现高效光热转换的性能突破

本文报道了通过甲烷扩散火焰快速原位合成碳纳米管（CNTs）的新方法，采用Ni-Fe双金属催化剂体系（Ni/Fe摩尔比1:0至1:1），显著提升了CNTs的产率（2.88 g/gcatalyst）和石墨化程度。Ni2Fe1催化剂表现最优，光热转换测试显示其涂层在1太阳强度下温度达57.8°C，较304不锈钢基底升高32.8°C，且经4次热循环后性能稳定，为高效光热材料开发提供了新策略。

　　

Highlight

通过甲烷扩散火焰的快速原位合成方法，本研究成功构建了Ni-Fe双金属催化剂体系，实现了碳纳米管（CNTs）的高效可控合成及其在光热转换应用中的突破。通过系统调整Ni/Fe摩尔比（1:0、3:1、2:1、1:1），揭示了双金属体系的协同催化机制：Ni贡献高碳溶解度并增强表面扩散通道，而Fe优化碳沉淀动力学并抑制金属团聚，共同提高了CNTs生长速率。实验证据表明，Ni2Fe1催化剂在火焰中原位合成，产率达到2.88 g/g_catalyst，较单一Ni催化剂提升119%。高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和X射线光电子能谱（XPS）分析证实了Ni-Fe合金的形成，减少了CNTs壁缺陷并显著提高了石墨化程度。光热转换性能测试显示，Ni2Fe1-CNTs涂层在1太阳强度下温度达到57.8°C，较304不锈钢基底升高32.8°C，且在4次热循环后保持稳定性能。

Efficient synthesis of CNTs

为阐明产物的表面形貌，图2展示了Ni3Fe1、Ni2Fe1、Ni1Fe1和Ni1Fe0催化剂下产物的扫描电子显微镜（SEM）图像。不同放大倍数下CNTs的长度和直径分布显示，CNTs直径范围为20至80 nm，长度可达数微米。CNTs的微小尺寸表明催化剂纳米颗粒为纳米级，并暗示金属颗粒的均匀性。

Conclusions

本文成功开发了一种利用Ni-Fe双金属催化剂的甲烷扩散火焰技术，用于高效原位合成具有优化光热性能的CNTs。通过调整Ni/Fe比例，我们发现Ni2Fe1催化剂显著提高了CNTs的产率（2.88 g/g_catalyst）和石墨化水平，其协同作用有效抑制了金属团聚并改善了碳扩散效率。热...