مراجعة: لورين هارديكر
ملخص البحث
قدّم الباحثون طريقة جديدة أحادية الخطوة لإنتاج أنابيب الكربون النانوية متعدّدة الجدران والمطعّمة بالنيتروجين (Nitrogen-doped Multiwalled Carbon Nanotubes – N-MWCNTs)، والمزينة بجسيمات نانوية من الحديد (Fe) والنحاس (Cu)، مباشرة على ركائز من رقائق النحاس.
استخدم الباحثون تقنية ترسيب البخار الكيميائي بمساعدة الهباء الجوي (Aerosol-Assisted Chemical Vapor Deposition – AACVD) لإنتاج مواد نانوية هجينة تجمع بين خصائص أنابيب الكربون النانوية (CNTs) وفوائد الجسيمات النانوية المعدنية. وقد نُشرت الدراسة مؤخرًا في مجلة Nanotechnology.
أهمية المواد النانوية الكربونية
تحظى المواد النانوية الكربونية، وعلى رأسها أنابيب الكربون النانوية، باهتمام كبير نظرًا لخواصها الكهربائية والميكانيكية والحرارية الممتازة، مما يجعلها مثالية للتطبيقات في الإلكترونيات وتخزين الطاقة والمواد المركبة.
إدخال ذرات النيتروجين في بنية الأنابيب الكربونية يعزّز أداءها الكهروكيميائي، مكوّنًا ما يُعرف بأنابيب الكربون المطعّمة بالنيتروجين (N-CNTs)، والتي تُظهر أداءً فائقًا في الأجهزة مثل المكثّفات الفائقة (supercapacitors) والبطاريات. إلا أن التحدي يكمن في تحسين ظروف الإنتاج للحصول على أنابيب ذات جودة عالية.
طريقة التخليق: الإنتاج الأحادي الخطوة
ركّز الباحثون على إنتاج N-MWCNTs على ركائز من رقائق النحاس باستخدام تقنية AACVD في خطوة واحدة، بمزيج من السلائف يتكوّن من بنزيل أمين (C₇H₉N – Benzylamine) وفيروسين (C₁₀H₁₀Fe – Ferrocene). وتكوّن الجهاز التجريبي من أنبوب كوارتز مسخن بواسطة فرن أنبوبي أفقي، وُضعت فيه رقائق النحاس بطول 40 سم.
تمت عملية الإنتاج في خمس درجات حرارة مختلفة (750، 800، 850، 900، و950 درجة مئوية) لمدة 80 دقيقة، تحت تدفق غاز الأرغون والهيدروجين بمعدل 1 لتر/دقيقة، بهدف دراسة تأثير الحرارة على الشكل البنيوي والخصائص الكهروكيميائية للأنابيب الناتجة.
أدوات التوصيف والتحليل
بعد عملية الإنتاج، تم توصيف العينات باستخدام عدة تقنيات، منها:
المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)
المجهر الإلكتروني النافذ عالي الدقة (HRTEM)
مطيافية رامان (Raman Spectroscopy)
التحليل الطيفي للطاقة المشتتة (EDS)
كما استخدم الباحثون برنامج ImageJ لتحليل أحجام الجسيمات النانوية، وتقنية التحليل الطيفي لممانعة التيار الكهربي (Electrochemical Impedance Spectroscopy – EIS) لدراسة السلوك السعوي.
النتائج البنيوية والتركيبية
أثّرت درجة الحرارة بشكل كبير على شكل وتركيب وأداء N-MWCNTs:
عند 750°C: تَكوّنت جُزر من الجرافين متعدد الطبقات مع جسيمات نانوية من Fe وCu مغلفة بالكربون الجرافيتي. قُطر الأنابيب كان بحدود 8 نانومتر، والجسيمات بمتوسط 14 نانومتر.
عند 800°C: ظهرت حُزم من الأنابيب النانوية على شكل “بامبو” (bamboo-like)، بقطر يتراوح بين 5 و40 نانومتر، وكثافة عالية من الجسيمات النانوية. التحليل الطيفي أظهر نسب عناصر مثالية: الكربون (92.08%)، الحديد (5.59%)، النحاس (0.20%)، والأكسجين (2.13%). تم تأكيد وجود نوعين من الأنابيب: نوع سميك مزين بجسيمات Fe، وآخر رفيع يحتمل أن يكون بتحفيز Cu.
بين 850 و950°C: قلت كمية الأنابيب وظهرت تراكيب ألياف كربونية أكبر (~500 نانومتر). لوحظ أعلى تركيز للنحاس عند 950°C (5.74%) وأدنى نسبة حديد (2.88%).
التحليل الطيفي والسلوك الكهروكيميائي
أظهرت مطيافية رامان بنية جرافيتية واضحة (قمم D، G، 2D)، بنسبة ID/IG بين 0.79 و0.88 مما يدل على وجود خلل بنيوي معتدل.
كشفت نتائج EIS أن الأنابيب المنتجة عند 800°C كانت الأفضل أداءً:
مقاومة نقل الشحنة (Rct): 1884 أوم
السعة الكهروستاتيكية للطبقة المزدوجة (Cdl): 0.107 فريد/سم²
مما يجعلها مناسبة لتطبيقات تخزين الطاقة.
التطبيقات المحتملة
تُظهر هذه المواد الهجينة قدرة عالية على استخدامها في:
المكثفات الفائقة: بفضل مقاومة النقل المنخفضة والسعة العالية
بطاريات الليثيوم: من خلال تعزيز الأداء الكهروكيميائي
الإلكترونيات المرنة
أجهزة الاستشعار والتحفيز الكيميائي
ميزة هذه الطريقة هي إمكانية تخليق الأنابيب مباشرة على ركائز النحاس، مما يُغني عن استخدام مواد رابطة أو مجمّعات تيار، ويقلل من المقاومة البينية.
الاستنتاجات والتوجهات المستقبلية
نجحت هذه الدراسة في إثبات جدوى تخليق N-MWCNTs باستخدام تقنية AACVD بخطوة واحدة على رقائق النحاس، وأكدت أهمية درجة الحرارة في تحديد الخصائص النهائية.
أفضل النتائج تحققت عند 800°C، بإنتاج أنابيب على شكل بامبو مزينة بجسيمات Fe وCu مع أداء كهروكيميائي ممتاز.
توصي الدراسة بمواصلة البحث عبر:
تحسين ظروف التفاعل
تجربة سلائف مختلفة
اختبار ركائز متنوعة
تطوير مواد هجينة بأداء مخصّص لتطبيقات أخرى مثل التحفيز والاستشعار
المرجع الأصلي:
Padilla-Teniente, B., et al. (2025): Copper foils as substrates for growing nitrogen-doped carbon nanotubes.
Nanotechnology, 36, 365601- DOI: 10.1088/1361-6528/ae0042
