CN108883936A - 使用包含碱金属和/或碱土金属的活性生长材料生长基于碳的纳米结构 - Google Patents

使用包含碱金属和/或碱土金属的活性生长材料生长基于碳的纳米结构 Download PDF

Info

Publication number
CN108883936A
CN108883936A CN201780021130.5A CN201780021130A CN108883936A CN 108883936 A CN108883936 A CN 108883936A CN 201780021130 A CN201780021130 A CN 201780021130A CN 108883936 A CN108883936 A CN 108883936A
Authority
CN
China
Prior art keywords
carbon
precursor
growth material
active growth
nanostructure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201780021130.5A
Other languages
English (en)
Inventor
布赖恩·L·沃德尔
理查德·李
埃丽卡·弗赖勒·安图尼斯
安德鲁·H·廖塔
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Massachusetts Institute of Technology
Original Assignee
Massachusetts Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Massachusetts Institute of Technology filed Critical Massachusetts Institute of Technology
Publication of CN108883936A publication Critical patent/CN108883936A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/152—Fullerenes
    • C01B32/154—Preparation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/158—Carbon nanotubes
    • C01B32/159—Carbon nanotubes single-walled
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/158—Carbon nanotubes
    • C01B32/16—Preparation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/158—Carbon nanotubes
    • C01B32/16—Preparation
    • C01B32/162—Preparation characterised by catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/18—Nanoonions; Nanoscrolls; Nanohorns; Nanocones; Nanowalls
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15—Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182—Graphene
    • C01B32/184—Preparation
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/12—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
    • D01F9/127—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by thermal decomposition of hydrocarbon gases or vapours or other carbon-containing compounds in the form of gas or vapour, e.g. carbon monoxide, alcohols
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/01—Particle morphology depicted by an image
    • C01P2004/03—Particle morphology depicted by an image obtained by SEM

Abstract

本公开内容涉及基于碳的纳米结构的生长以及相关的系统和产品。某些实施方案涉及使用包含碱金属和/或碱土金属的活性生长材料的基于碳的纳米结构生长。在一些实施方案中，基于碳的纳米结构的生长在相对低的温度下进行。

Description

使用包含碱金属和/或碱土金属的活性生长材料生长基于碳 的纳米结构
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2016年3月30日提交的题为“Growth ofCarbon-Based Nanostructures Using Active Growth Materials Comprising AlkaliMetals and/or Alkaline Earth Metals”的美国临时申请第62/315,508号的优先权，其出于所有目的通过引用整体并入本文。
技术领域
一般性地描述了基于碳的纳米结构的生长以及相关的系统和产品。
背景技术
基于碳的纳米结构的生产可以潜在地充当生产包括电子设备和结构材料在内的广泛的新兴应用的重要工具。最近的研究集中于通过化学气相沉积(CVD)和其他技术来生产例如碳纳米管(CNT)。在设计用于生产碳纳米结构的过程时，选择在其上将形成纳米结构的适当材料是重要的。然而，许多通常使用的材料具有与其相关的一个或更多个缺点。
因此，需要改进的组合物和方法。
发明内容
本公开内容涉及基于碳的纳米结构的生长以及相关的系统和产品。某些实施方案涉及使用包含碱金属和/或碱土金属的活性生长材料的基于碳的纳米结构生长。在一些实施方案中，基于碳的纳米结构的生长在相对低的温度下进行。在一些情况下，本发明的主题涉及相关产品、特定问题的替代解决方案、和/或一个或更多个系统和/或制品的多个不同用途。
在一个方面中，描述了生长基于碳的纳米结构的方法。在一些实施方案中，所述方法包括将基于碳的纳米结构的前体暴露于包含碱金属和碱土金属中的至少一者的活性生长材料，以由基于碳的纳米结构的前体生长基于碳的纳米结构。
在某些实施方案中，所述方法包括将基于碳的纳米结构的前体暴露于包含碱金属和碱土金属中的至少一者的活性生长材料，以由基于碳的纳米结构的前体生长基于碳的纳米结构，其中所述活性生长材料在基于碳的纳米结构的生长期间处于小于或等于500℃的温度下；以及所述活性生长材料不包含铁或者包含的铁的量使得活性生长材料中铁的原子数与活性生长材料中任何碱金属和任何碱土金属的原子总数之比小于或等于3.5。
根据某些实施方案，所述方法包括将基于碳的纳米结构的前体暴露于包含碱金属和碱土金属中的至少一者的活性生长材料，以由基于碳的纳米结构的前体生长基于碳的纳米结构，其中所述活性生长材料在基于碳的纳米结构的生长期间处于小于或等于475℃的温度下。
根据一些实施方案，生长基于碳的纳米结构的方法包括将基于碳的纳米结构的前体暴露于包含碱金属和碱土金属中的至少一者的活性生长材料，以由基于碳的纳米结构的前体生长基于碳的纳米结构，其中所述基于碳的纳米结构的前体包含二氧化碳和炔烃两者。
某些方面涉及本发明的制品。在一些实施方案中，所述制品包括基底；至少部分地涂覆基底的聚合物材料；由基底负载的基于碳的纳米结构；和与基于碳的纳米结构相关的活性生长材料。
在一些实施方案中，所述制品包括基底；由基底负载的多个细长的基于碳的纳米结构，所述细长的基于碳的纳米结构的迂曲度(tortuosity)小于或等于5；和与基于碳的纳米结构相关的活性生长材料。
在结合附图考虑时，本发明的其他优点和新特征将由以下本发明的多个非限制性实施方案的详细描述而变得明显。在本说明书和通过引用并入的文献包括冲突和/或不一致的内容时，应当以本说明书为准。
附图说明
将参照附图通过实例的方式描述本发明的非限制性实施方案，所述附图是示意性的并且不旨在按比例绘制。在附图中，示出的每个相同或几乎相同的组件通常由单一标记表示。为了清楚起见，并非在每个附图中都对每个组件进行标记，并且在不需要图示以使本领域普通技术人员理解本发明的情况下，也没有示出本发明的每个实施方案的每个组件。在附图中：
图1A是根据某些实施方案的示出生长基于碳的纳米结构的方法的截面示意图；
图1B是根据一些实施方案的示出在不存在基底的情况下生长基于碳的纳米结构的方法的截面示意图；
图1C是根据某些实施方案的示出在细长的基底(例如，未上浆(unsized)或经退浆(desized)的碳纤维基底)上生长基于碳的纳米结构的方法的透视示意图；
图1D是根据某些实施方案的示出在经至少部分地涂覆的细长的基底(例如，经上浆(sized)的碳纤维基底)上生长基于碳的纳米结构的方法的透视示意图；
图2是示出在活性生长材料与基底之间可能的相互作用体积的示例性截面示意图；
图3A是根据某些实施方案的高度弯曲的纳米结构的截面示意图；
图3B是根据某些实施方案的中度弯曲的纳米结构的截面示意图；
图3C是根据某些实施方案的具有相对低的迂曲度的纳米结构的截面示意图；
图4是根据一组实施方案的经退浆的碳纤维的SEM图像；
图5是在升高的温度下暴露于基于碳的纳米结构前体之后的负载包含铁的活性生长材料的经退浆的碳纤维的SEM图像，在其中没有观察到基于碳的纳米结构生长；
图6A至6B是根据某些实施方案的负载由包含氢氧化钠的活性生长材料生长的碳纳米管的经退浆的碳纤维的SEM图像；
图6C是根据某些实施方案的由包含氢氧化钠的活性生长材料生长的基于碳的纳米结构的TEM图像；
图7是根据某些实施方案的负载由包含氢氧化钠的活性生长材料生长的碳纳米管的经上浆的碳纤维的SEM图像；
图8是根据一些实施方案的负载由包含碳酸钠的活性生长材料生长的碳纳米管的经上浆的碳纤维的SEM图像；
图9是根据某些实施方案的负载由包含碳酸氢钠的活性生长材料生长的碳纳米管的经上浆的碳纤维的SEM图像；
图10是根据一些实施方案的负载由包含氢氧化钠的活性生长材料生长的碳纳米管的氧化铝纤维的SEM图像；
图11A至11F是根据某些实施方案的负载由包含氢氧化钠的活性生长材料生长的碳纳米管的经聚(苯乙烯-交替-马来酸)涂覆的载玻片的SEM图像；
图12A至12F是根据一些实施方案的负载由包含碳酸钾的活性生长材料生长的碳纳米管的经聚(苯乙烯-交替-马来酸)涂覆的载玻片的SEM图像；
图13A至13E是根据一些实施方案的负载由包含碳酸钠的活性生长材料生长的碳纳米管的钛的SEM图像；
图14A至14F是根据一些实施方案的负载由包含碳酸氢钠的活性生长材料生长的碳纳米管的钛的SEM图像；
图15A至15F是根据一些实施方案的负载由包含氢氧化钠的活性生长材料生长的碳纳米管的钛的SEM图像；
图16A至16D是根据某些实施方案的负载由包含氢氧化钠的活性生长材料生长的碳纳米管的钛的SEM图像；
图17是根据一些实施方案的示出由多种活性生长材料生长的碳纳米结构的四张显微照片的复合图；
图18是根据一些实施方案的示出在多种基底上的碳纳米结构生长的四张显微照片的复合图；
图19是根据一些实施方案的示出在多个温度下的碳纳米结构生长的六张显微照片的复合图；
图20是根据一些实施方案的示出在多种CO2和C2H2浓度下的碳纳米结构生长的六张显微照片的复合图；
图21是根据一些实施方案的示出在多个时间之后的碳纳米结构生长的八张显微照片的复合图；以及
图22是示出碳纳米结构的四张显微照片的复合图。
具体实施方式
一般性地描述了用于生长基于碳的纳米结构的系统和方法。在一些实施方案中，所述纳米结构可以在活性生长材料上生长。在一些实施方案中，活性生长材料或其前体可以包含碱金属和碱土金属中的至少一者。也就是说，根据某些实施方案，全部或部分的活性生长材料或其前体可以由一种或更多种碱金属和/或一种或更多种碱土金属构成。基于碳的纳米结构可以通过在存在或不存在生长基底的情况下将基于碳的纳米结构的前体暴露于活性生长材料以便由前体生长基于碳的纳米结构来生长。例如，这可以通过将前体和活性生长材料暴露于引起基于碳的纳米结构在活性生长材料上生长(例如，成核和/或另外生长)的一组条件来实现。在一些这样的实施方案中，可以选择一个或更多个条件以在活性生长材料上由前体形成基于碳的纳米结构。
根据某些实施方案，基于碳的纳米结构的生长可以在相对低的温度下实现。例如，在一些实施方案中，基于碳的纳米结构的前体(和/或活性生长材料、和/或任选的生长基底)在基于碳的纳米结构的生长期间可以处于小于或等于500℃(或者小于或等于475℃、或者更低)的温度下。其他温度和温度范围也是可能的，并且在以下进一步讨论。
根据某些实施方案，相对于例如铁或其他传统催化剂材料(例如其他过渡金属)，碱土金属和/或碱金属可以占活性生长材料或其前体的相对大的百分比。例如，在一些情况下，活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱金属和任何碱土金属的原子总数之比小于或等于3.5。在一些实施方案中，活性生长材料或其前体中所有过渡金属的原子总数与活性生长材料或其前体中任何碱金属和任何碱土金属的原子总数之比小于或等于3.5。
不希望受任何特定理论的束缚，认为根据某些但不一定是所有的实施方案，在活性生长材料中使用碱金属和/或碱土金属可以允许在相对低的温度下生长基于碳的纳米结构。在相对低的温度下生长基于碳的纳米结构的能力可以是有利的，因为根据某些但不一定是所有的实施方案，其可以减少生长基于碳的纳米结构所需的能量的量和/或允许在温度敏感基底(例如，聚合物和其他温度敏感基底)上生长基于碳的纳米结构，如以下更详细描述的。
如以下更详细描述的，本文所述的某些系统和方法可以用于生长多种基于碳的纳米结构，包括碳纳米管、碳纳米纤维和碳纳米线。在某些情况下，本文所述的某些实施方案可以特别地用于生长碳纳米管。
如上所述，某些实施方案涉及生长基于碳的纳米结构的方法。根据一些实施方案，生长基于碳的纳米结构的方法包括：提供活性生长材料或活性生长材料前体，以及将基于碳的纳米结构的前体暴露于包含碱金属和碱土金属中的至少一者的活性生长材料或活性生长材料前体以由所述前体生长基于碳的纳米结构。应理解，在活性生长材料及其相关特性在以下和本文其他地方进行描述时，活性生长材料自身和活性生长材料前体中的一者或两者可以具有被描述为与活性生长材料相关的特性。在一些实施方案中，活性生长材料和/或活性生长材料前体在暴露于基于碳的纳米结构前体时具有这些特性。在某些实施方案中，活性生长材料和/或活性生长材料前体在用于形成基于碳的纳米结构的加热步骤开始时具有这些特性。在某些实施方案中，活性生长材料和/或活性生长材料前体在材料位于其中生长基于碳的纳米结构的室或其他容器中期间的至少一个时间点具有这些特性。
用于生长基于碳的纳米结构的示例性系统100示于图1A中。在图1A中，通过将活性生长材料106暴露于基于碳的纳米结构102的前体104来生长基于碳的纳米结构102。如图1A所示，活性生长材料106接触(例如，直接接触)任选的生长基底108，但在另一些实施方案中，活性生长材料不接触生长基底。例如，在图1B中，活性生长材料106不接触下面的基底。在一些实施方案中，活性生长材料可以在生长过程之前接触基底，但在生长过程期间可以通过正在生长的基于碳的纳米结构从基底上移走。
活性生长材料106(例如，活性生长材料的纳米颗粒)可以包含一种或更多种碱金属和/或一种或更多种碱土金属。活性生长材料的具体实例在以下更详细地描述。根据某些实施方案，活性生长材料催化基于碳的纳米结构的生长。
应理解，基于碳的纳米结构的生长可以包括基于碳的纳米结构的初始成核/形成和/或使现有的基于碳的纳米结构的尺寸更大。在某些实施方案中，基于碳的纳米结构的生长包括由不是基于碳的纳米结构的材料成核或以其他方式形成基于碳的纳米结构。在一些实施方案中，两个或更多个基于碳的纳米结构可以由不是基于碳的纳米结构的材料成核或以其他方式形成。所述两个或更多个基于碳的纳米结构可以是相同类型的基于碳的纳米结构，或者可以是不同类型的基于碳的纳米结构。在一些实施方案中，基于碳的纳米结构的生长包括使现有的基于碳的纳米结构的尺寸更大。在一些情况下，生长过程还可以包括这两个步骤。在某些实施方案中，多个生长步骤可以例如使用单一活性生长材料多次生长基于碳的纳米结构来进行。
基于碳的纳米结构的前体可以以多种方式暴露于活性生长材料。通常，将活性生长材料暴露于前体包括将前体和活性生长材料彼此合并以使它们接触。根据某些实施方案，将基于碳的纳米结构的前体暴露于活性生长材料包括将基于碳的纳米结构的前体添加至活性生长材料。在某些实施方案中，将基于碳的纳米结构的前体暴露于活性生长材料包括将活性生长材料添加至基于碳的纳米结构的前体。在另一些实施方案中，可以将基于碳的纳米结构的前体和活性生长材料同时混合。其他暴露方法也是可能的。根据一些实施方案，将基于碳的纳米结构的前体暴露于活性生长材料可以在室中或其他空间中发生。其中基于碳的纳米结构的前体暴露于活性生长材料的空间可以是完全封闭的、部分封闭的或完全敞开的。
如上所述，根据某些实施方案，可以将基于碳的纳米结构的前体暴露于活性生长材料以由前体生长基于碳的纳米结构。例如，在图1A中，可以将纳米结构前体材料104递送至任选的基底108并且接触或渗透基底表面(例如，经由箭头112)、活性生长材料表面(例如，经由箭头114)、和/或活性生长材料与基底之间的界面(例如，经由箭头110)。
根据某些实施方案，来自基于碳的纳米结构的前体的碳可以从前体中解离。根据某些实施方案，碳从前体中的解离可以涉及至少一个共价键的断裂。在另一些情况下，碳从前体中的解离不涉及使共价键断裂。根据某些实施方案，从前体中解离的碳可以发生化学反应以通过形成新的共价键(例如，新的碳-碳共价键)生长基于碳的纳米结构。在碳纳米管的生长中，例如，纳米结构前体材料可以包含碳，使得碳从前体分子中解离并且可以通过形成新的碳-碳共价键并入正在生长的碳纳米管中。参照图1A，根据某些实施方案，纳米结构前体104可以包含碳，使得碳从纳米结构前体104中解离(任选地，使共价键断裂)并且并入正在生长的基于碳的纳米结构102中。正在生长的基于碳的纳米结构可以例如随着持续生长沿一般方向116从生长基底向上延伸。
如以下更详细描述的，多种材料可以用作基于碳的纳米结构的前体和用作活性生长材料(或活性生长材料的前体)。根据某些实施方案，基于碳的纳米结构(例如，碳纳米管)可以使用CO2和乙炔作为基于碳的纳米结构的前体来合成。在一些这样的实施方案中，活性生长材料或其前体包含可以任选地布置在碳纤维载体(例如，经上浆、未上浆或经退浆的碳纤维载体)上的氢氧化钠盐的纳米颗粒。纳米结构前体材料、活性生长材料、活性生长材料的前体和可以使用这些材料生长的基于碳的纳米结构的类型的其他实例在以下更详细地描述。
在一些实施方案中，生长基于碳的纳米结构的方法包括将活性生长材料和基于碳的纳米结构的前体暴露于引起基于碳的纳米结构在活性生长材料上生长的一组条件。基于碳的纳米结构的生长可以包括例如加热基于碳的纳米结构的前体、活性生长材料或两者。基于碳的纳米结构可以生长的合适条件的其他实例在以下更详细地描述。在一些实施方案中，生长基于碳的纳米结构包括在活性生长材料上进行纳米结构的化学气相沉积(CVD)。在一些实施方案中，化学气相沉积过程可以包括等离子体化学气相沉积过程。化学气相沉积是本领域普通技术人员已知的过程，并且例如，在Dresselhaus M S,Dresselhaus G.和Avouris,P.编辑，“Carbon Nanotubes:Synthesis,Structure,Properties,andApplications”(2001)Springer中进行了说明，其通过引用整体并入本文。合适的纳米结构制造技术的实例在以下中进行了更详细的讨论：2007年5月18日提交的题为“ContinuousProcess for the Production of Nanostructures Including Nanotubes”的国际专利申请序列号PCT/US2007/011914，在2007年11月29日作为WO 2007/136755公开，其通过引用整体并入本文。
如上所述，根据某些实施方案，基于碳的纳米结构可以通过将纳米结构前体暴露于活性生长材料来生长。如本文所使用的，术语“活性生长材料”是指这样的材料：在暴露于选择以引起纳米结构生长的一组条件时，其能够实现在不存在活性生长材料的情况下在基本上相同的条件下否则不会发生的纳米结构生长，或者相对于在基本上相同的条件下但没有活性生长材料的情况下观察到的速率增加纳米结构的生长速率。在该背景下，“基本上相同的条件”意指除了存在活性生长材料之外类似或相同的条件(例如，环境中的压力、温度、物质的组成和浓度等)。在一些实施方案中，活性生长材料可以是较大材料的一部分(例如，当活性生长材料对应于掺杂有活性材料如碱金属或碱土金属等的结构的掺杂部分时)。在另一些情况下，活性生长材料可以是单一的独立结构(例如，当活性生长材料是由一种或更多种碱金属和/或一种或更多种碱土金属等构成的颗粒时)。在某些实施方案中，活性生长材料在其整个暴露表面上是有活性的。在一些实施方案中，活性生长材料在其至少一部分或全部的体积中是有活性的。
根据某些实施方案，活性生长材料在生长期间不并入基于碳的纳米结构中。例如，根据某些实施方案，活性生长材料不与由前体生长的基于碳的纳米结构共价键合。在一些实施方案中，活性生长材料在生长期间并入基于碳的纳米结构中。例如，生长可以导致形成包含围绕活性生长材料的基于碳的纳米结构的材料(例如，其中至少一部分的活性生长材料设置在碳纳米管内的碳纳米管、其中至少一部分的活性生长材料衬于碳纳米管内壁的碳纳米管)。
在一些实施方案中，活性生长材料使用于由前体生长基于碳的纳米结构的化学反应的活化能降低。根据某些实施方案，活性生长材料催化由前体生长基于碳的纳米结构的化学反应。
在某些实施方案中，活性生长材料由在基于碳的纳米结构生长之前经历相变或化学变化的活性生长材料前体形成。如上所述，应理解，在活性生长材料及其相关特性在本文其他地方进行描述时，活性生长材料自身和活性生长材料前体中的一者或两者可以具有被描述为与活性生长材料相关的特性。在一些实施方案中，活性生长材料前体可以以一种形式提供(例如，施加至任选的基底)，然后在形成活性生长材料之前经历物理或化学转变(例如，在加热步骤期间、在暴露于纳米结构前体期间)。例如，在一些实施方案中，活性生长材料前体可以在形成活性生长材料之前熔化、变成氧化或还原的、变成活化的、或者经历任何物理或化学变化。通常，在其中活性生长材料由前体形成的实施方案中，活性生长材料的碱土金属和/或碱金属对应于形成活性生长材料的活性生长材料前体的碱土金属和/或碱金属。当然，根据某些实施方案，活性生长材料自身可以具有本文中关于活性生长材料及其前体所描述的任何特性。
如上所述，在一些实施方案中，活性生长材料或其前体包含碱金属和碱土金属中的至少一者。在一些实施方案中，活性生长材料或其前体包含碱金属。例如，活性生长材料或其前体可以包含单一碱金属或复数种碱金属的组合。根据一些实施方案，活性生长材料或其前体包含碱土金属。例如，活性生长材料或其前体可以包含单一碱土金属或复数种碱土金属的组合。在某些实施方案中，活性生长材料或其前体包含碱土金属(例如，一种或更多种碱土金属)和碱土金属(例如，一种或更多种碱土金属)两者。
本文中使用的术语“碱金属”是指元素周期表第1族的以下六种化学元素：锂、钠、钾、铷、铯和钫。元素的碱金属是不带电的，但是能够变成氧化的以形成具有+1氧化态的离子。根据一些实施方案，活性生长材料或其前体可以包含处于任意氧化态或氧化态的任意组合的一种或更多种碱金属。在某些实施方案中，活性生长材料或其前体中的碱金属是盐的阳离子。在某些实施方案中，碱金属或其前体不是氧化物的形式。在一些实施方案中，碱金属或其前体不是硫属化物的形式。在某些实施方案中，碱金属或其前体不是碳化物的形式。在一些实施方案中，活性生长材料或其前体中的碱金属是合金的组分。在某些实施方案中，活性生长材料或其前体中的碱金属是其元素形式。根据一些实施方案，包含碱金属的活性生长材料或其前体的其他组分可以是处于任意氧化态的原子、带有任意电荷的多原子离子、和具有任意分子量和电荷的分子中的一者或更多者。在某些实施方案中，活性生长材料或其前体的碱金属和/或其他组分可以在活性生长材料沉积和纳米结构生长的整个过程中处于相同的氧化态。在另一些实施方案中，活性生长材料的碱金属和/或其他组分可以在活性生长材料沉积和/或纳米结构生长的过程期间从一个氧化态转变成另一氧化态。根据一些实施方案，活性生长材料的碱金属和/或其他组分可以在纳米结构生长完成之后与在纳米结构生长之前和/或期间处于相同的氧化态。根据另一些实施方案，活性生长材料的碱金属和/或其他组分可以在纳米结构生长完成之后与在纳米结构生长之前和/或期间处于不同的氧化态。
本文中使用的术语“碱土金属”是指元素周期表第2族中的六种化学元素：铍、镁、钙、锶、钡和镭。元素的碱土金属是不带电的，但是能够变成氧化的以形成具有+1或+2氧化态的离子。根据一些实施方案，活性生长材料或其前体可以包含处于任意氧化态或氧化态的任意组合的一种或更多种碱土金属。在某些实施方案中，活性生长材料或其前体中的碱土金属是盐的阳离子。在某些实施方案中，碱土金属或其前体不是氧化物的形式。在一些实施方案中，碱土金属或其前体不是硫属化物的形式。在某些实施方案中，碱土金属或其前体不是碳化物的形式。在一些实施方案中，活性生长材料或其前体中的碱土金属是合金的组分。在某些实施方案中，活性生长材料或其前体中的碱土金属是其元素形式。这些的组合也是可能的。根据一些实施方案，包含碱土金属的活性生长材料或其前体的其他组分可以是处于任意氧化态的原子、带有任意电荷的多原子离子、和具有任意分子量和电荷的分子中的一者或更多者。在某些实施方案中，活性生长材料或其前体的碱土金属和/或其他组分可以在活性生长材料沉积和纳米结构生长的整个过程中处于相同的氧化态。在另一些实施方案中，活性生长材料的碱土金属和/或其他组分可以在活性生长材料沉积和/或纳米结构生长的过程期间从一个氧化态转变成另一氧化态。根据一些实施方案，活性生长材料的碱土金属和/或其他组分可以在纳米结构生长完成之后与在纳米结构生长之前和/或期间处于相同的氧化态。根据另一些实施方案，活性生长材料的碱土金属和/或其他组分可以在纳米结构生长完成之后与在纳米结构生长之前和/或期间处于不同的氧化态。
在某些实施方案中，活性生长材料或其前体包含钠和钾中的至少一者。在一些这样的实施方案中，活性生长材料或其前体仅包含钠而不包含钾。在另一些实施方案中，活性生长材料或其前体仅包含钾而不包含钠。在另一些实施方案中，活性生长材料或其前体包含钠和钾两者。
在某些实施方案中，活性生长材料或其前体包含碱土金属的氢氧化物盐和碱金属的氢氧化物盐中的至少一者。在一些实施方案中，活性生长材料或其前体包含碱土金属的氢氧化物盐但不包含碱金属的氢氧化物盐。在某些实施方案中，活性生长材料或其前体包含碱金属的氢氧化物盐但不包含碱土金属的氢氧化物盐。在另一些实施方案中，活性生长材料或其前体包含碱土金属的氢氧化物盐和碱金属的氢氧化物盐两者。
氢氧化物盐是包含OH-离子的盐。在一些实施方案中，氢氧化物盐可以仅包含OH-阴离子；在另一些实施方案中，氢氧化物盐可以另外地包含其他阴离子。这样的盐中的另外的阴离子可以具有任意的负氧化态，可以是单原子或多原子的，可以具有任意的分子量，以及可以为有机离子或无机离子。根据某些实施方案，氢氧化物盐可以另外地包含既不是碱金属也不是碱土金属的阳离子。这些阳离子可以具有任意的正氧化态，可以是单原子或多原子的，可以具有任意的分子量，以及可以为有机离子或无机离子。氢氧化物盐中的OH-阴离子与碱土金属和/或碱金属之比通常取决于这些金属的氧化态、盐中其他阳离子和/或阴离子的氧化态、以及各其他离子彼此之间的总比率。在一些实施方案中，氢氧化物盐还可以包含结合水。在另一些实施方案中，氢氧化物盐可以不含水。
根据某些实施方案，OH-离子占氢氧化物盐中阴离子总数的至少一定的百分比。在一些实施方案中，OH-离子占氢氧化物盐中阴离子总数的至少50％、至少75％、至少90％、至少95％、或至少99％。在某些实施方案中，OH-离子占氢氧化物盐中阴离子总数的小于或等于100％、小于99％、小于95％、小于90％、或者小于75％。上述范围的组合也是可能的(例如，氢氧化物盐中阴离子总数的大于或等于95％且小于或等于100％)。其他范围也是可能的。
在某些实施方案中，活性生长材料或其前体包含碱土金属的碳酸盐和碱金属的碳酸盐中的至少一者。在一些实施方案中，活性生长材料或其前体包含碱土金属的碳酸盐但不包含碱金属的碳酸盐。在某些实施方案中，活性生长材料或其前体包含碱金属的碳酸盐但不包含碱土金属的碳酸盐。在另一些实施方案中，活性生长材料或其前体包含碱土金属的碳酸盐和碱金属的碳酸盐两者。
碳酸盐是包含CO3 2-离子的盐。在一些实施方案中，碳酸盐可以仅包含CO3 2-离子；在另一些实施方案中，碳酸盐可以另外地包含其他阴离子。这样的盐中的另外的阴离子可以具有任意的负氧化态，可以是单原子或多原子的，可以具有任意的分子量，以及可以为有机离子或无机离子。根据某些实施方案，碳酸盐可以另外地包含既不是碱金属也不是碱土金属的阳离子。这些阳离子可以具有任意的正氧化态，可以是单原子或多原子的，可以具有任意的分子量，以及可以为有机离子或无机离子。碳酸盐中的CO3 2-阴离子与碱土金属和/或碱金属之比通常取决于这些金属的氧化态、盐中其他阳离子和/或阴离子的氧化态、以及各其他离子彼此之间的总比率。碳酸盐中CO3 2-阴离子的量通常通过碳酸盐的总质量来确定并且将使得盐具有净零的总电荷。在一些实施方案中，碳酸盐还可以包含结合水。在另一些实施方案中，碳酸盐可以不含水。
根据某些实施方案，CO3 2-离子占碳酸盐中阴离子总数的至少一定的百分比。在一些实施方案中，CO3 2-离子占碳酸盐中阴离子总数的至少50％、至少75％、至少90％、至少95％、或至少99％。在某些实施方案中，CO3 2-离子占碳酸盐中阴离子总数的小于或等于100％、小于99％、小于95％、小于90％、或者小于75％。上述范围的组合也是可能的(例如，碳酸氢盐中阴离子总数的大于或等于95％且小于或等于100％)。其他范围也是可能的。
在某些实施方案中，活性生长材料或其前体包含碱土金属的碳酸氢盐和碱金属的碳酸氢盐中的至少一者。在一些实施方案中，活性生长材料或其前体包含碱土金属的碳酸氢盐但不包含碱金属的碳酸氢盐。在某些实施方案中，活性生长材料或其前体包含碱金属的碳酸氢盐但不包含碱土金属的碳酸氢盐。在另一些实施方案中，活性生长材料或其前体包含碱土金属的碳酸氢盐和碱金属的碳酸氢盐两者。
碳酸氢盐是包含HCO3 -离子的盐。在一些实施方案中，碳酸氢盐可以仅包含HCO3 -离子；在另一些实施方案中，碳酸氢盐可以另外地包含其他阴离子。这样的盐中的另外的阴离子可以具有任意的负氧化态，可以是单原子或多原子的，可以具有任意的分子量，以及可以为有机离子或无机离子。根据某些实施方案，碳酸氢盐可以另外地包含既不是碱金属也不是碱土金属的阳离子。这些阳离子可以具有任意的正氧化态，可以是单原子或多原子的，可以具有任意的分子量，以及可以为有机离子或无机离子。碳酸氢盐中的HCO3 -阴离子与碱土金属和/或碱金属之比通常取决于这些金属的氧化态、盐中其他阳离子和/或阴离子的氧化态、以及各其他离子彼此之间的总比率。碳酸氢盐中HCO3 -阴离子的量通常通过碳酸氢盐的总质量来确定并且将使得盐具有净零的总电荷。在一些实施方案中，碳酸氢盐还可以包含结合水。在另一些实施方案中，碳酸氢盐可以不含水。
根据某些实施方案，HCO3 -离子占碳酸氢盐中阴离子总数的至少一定的百分比。在一些实施方案中，HCO3 -离子占碳酸氢盐中阴离子总数的至少50％、至少75％、至少90％、至少95％、或至少99％。在某些实施方案中，HCO3 -离子占碳酸氢盐中阴离子总数的小于或等于100％、小于99％、小于95％、小于90％、或者小于75％。上述范围的组合也是可能的(例如，碳酸氢盐中阴离子总数的大于或等于95％且小于或等于100％)。其他范围也是可能的。
在某些实施方案中，活性生长材料或其前体包含碱土金属的卤化物盐和碱金属的卤化物盐中的至少一者。在一些实施方案中，活性生长材料或其前体包含碱土金属的卤化物盐但不包含碱金属的卤化物盐。在某些实施方案中，活性生长材料或其前体包含碱金属的卤化物盐但不包含碱土金属的卤化物盐。在另一些实施方案中，活性生长材料或其前体包含碱土金属的卤化物盐和碱金属的卤化物盐两者。
卤化物盐是包含卤化物离子的盐。本文中使用的术语“卤化物离子”是指元素周期表中第1族的以下五种化学元素的负电性离子：氟、氯、溴、碘和砹。在一些实施方案中，卤化物盐可以仅包含卤化物阴离子；在另一些实施方案中，卤化物盐可以另外地包含其他阴离子。这样的盐中的另外的阴离子可以具有任意的负氧化态，可以是单原子或多原子的，可以具有任意的分子量，以及可以为有机离子或无机离子。根据某些实施方案，卤化物盐可以另外地包含既不是碱金属也不是碱土金属的阳离子。这些阳离子可以具有任意的正氧化态，可以是单原子或多原子的，可以具有任意的分子量，以及可以为有机离子或无机离子。卤化物盐中的卤化物阴离子与碱土金属和/或碱金属之比通常取决于这些金属的氧化态、盐中其他阳离子和/或阴离子的氧化态、以及各其他离子彼此之间的总比率。在一些实施方案中，卤化物盐还可以包含结合水。在另一些实施方案中，卤化物盐可以不含水。
根据某些实施方案，卤化物离子占卤化物盐中阴离子总数的至少一定的百分比。在一些实施方案中，卤化物离子占卤化物盐中阴离子总数的至少50％、至少75％、至少90％、至少95％、或至少99％。在某些实施方案中，卤化物离子占卤化物盐中阴离子总数的小于或等于100％、小于99％、小于95％、小于90％、或者小于75％。上述范围的组合也是可能的(例如，卤化物盐中阴离子总数的大于或等于95％且小于或等于100％)。其他范围也是可能的。
在某些实施方案中，活性生长材料或其前体包含碱土金属的氯化物盐和碱金属的氯化物盐中的至少一者。在一些实施方案中，活性生长材料或其前体包含碱土金属的氯化物盐但不包含碱金属的氯化物盐。在某些实施方案中，活性生长材料或其前体包含碱金属的氯化物盐但不包含碱土金属的氯化物盐。在另一些实施方案中，活性生长材料或其前体包含碱土金属的氯化物盐和碱金属的氯化物盐两者。
氯化物盐是包含氯化物离子的盐。在一些实施方案中，氯化物盐可以仅包含氯化物阴离子；在另一些实施方案中，氯化物盐可以另外地包含其他阴离子。这样的盐中的另外的阴离子可以具有任意的负氧化态，可以是单原子或多原子的，可以具有任意的分子量，以及可以为有机离子或无机离子。根据某些实施方案，氯化物盐可以另外地包含既不是碱金属也不是碱土金属的阳离子。这些阳离子可以具有任意的正氧化态，可以是单原子或多原子的，可以具有任意的分子量，以及可以为有机离子或无机离子。氯化物盐中的氯化物阴离子与碱土金属和/或碱金属之比通常取决于这些金属的氧化态、盐中其他阳离子和/或阴离子的氧化态、以及各其他离子彼此之间的总比率。在一些实施方案中，氯化物盐还可以包含结合水。在另一些实施方案中，氯化物盐可以不含水。
根据某些实施方案，氯化物离子占氯化物盐中阴离子总数的至少一定的百分比。在一些实施方案中，氯化物离子占氯化物盐中阴离子总数的至少50％、至少75％、至少90％、至少95％、或至少99％。在某些实施方案中，氯化物离子占氯化物盐中阴离子总数的小于或等于100％、小于99％、小于95％、小于90％、或者小于75％。上述范围的组合也是可能的(例如，氯化物盐中阴离子总数的大于或等于95％且小于或等于100％)。其他范围也是可能的。
在某些实施方案中，碱金属和/或碱土金属是与分子量小于或等于1000道尔顿的阴离子离子结合的盐的阳离子。在盐中，离子通常与整个材料中的许多其他离子结合。
在一些实施方案中，分子量小于或等于1000Da的全部阴离子的百分比可以小于或等于10％、小于或等于5％、小于或等于2％、或者小于或等于1％。分子量小于或等于1000Da的全部阴离子的百分比可以相等地为0％。分子量小于或等于1000Da的全部阴离子的百分比可以大于或等于0％、大于或等于2％、或者大于或等于5％。上述范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0％且小于或等于2％)。其他范围也是可能的。
根据某些实施方案，阴离子的数均分子量小于或等于1000Da、小于或等于750Da、小于或等于500Da、小于或等于250Da、小于或等于100Da、小于或等于50Da、或者小于或等于25Da。阴离子的数均分子量可以大于或等于10Da、大于或等于25Da、大于或等于50Da、大于或等于100Da、大于或等于250Da、大于或等于500Da、或者大于或等于750Da。上述范围的组合也是可能的(例如，大于或等于50Da且小于或等于250Da)。其他范围也是可能的。
根据某些实施方案，阴离子的重均分子量小于或等于1000Da、小于或等于750Da、小于或等于500Da、小于或等于250Da、小于或等于100Da、小于或等于50Da、或者小于或等于25Da。阴离子的重均分子量可以大于或等于10Da、大于或等于25Da、大于或等于50Da、大于或等于100Da、大于或等于250Da、大于或等于500Da、或者大于或等于750Da。上述范围的组合也是可能的(例如，大于或等于50Da且小于或等于250Da)。其他范围也是可能的。
本领域普通技术人员将能够使用例如质谱、核磁共振和/或凝胶渗透色谱(GPC)来确定数均分子量和重均分子量。
根据某些实施方案，阴离子可以具有任意的化学结构和任意的负氧化态。在一些实施方案中，一种或更多种阴离子可以是单原子或多原子的。在一些实施方案中，阴离子可以是有机或无机的。根据某些实施方案，各阴离子可以具有相同的化学式，或者不同的阴离子可以具有不同的配位数。根据某些实施方案，阴离子的配位数可以为4至12。各阴离子可以具有相同的配位数，或者阴离子可以包含配位数不同的离子。
可以用作活性生长材料(或活性生长材料前体)的化合物的非限制性实例包括但不限于碳酸钙、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钠、碳酸钾、碳酸氢钾和氢氧化钾。可以用于活性生长材料的化合物的另外的实例包括但不限于包含碱金属和/或碱土金属的合金，例如钠-钾合金(例如，NaK)、钴-钠合金(例如，CoNa)和铁-钾合金(例如，FeK)。
在一些实施方案中，活性生长材料或其前体包含相对低量的铁。例如，在一些实施方案中，活性生长材料或其前体不包含铁或者包含的铁的量使得活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱金属和任何碱土金属的原子总数之比小于或等于3.5。在某些实施方案中，活性生长材料或其前体包含的铁的量使得活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱金属和碱土金属的原子总数之比小于或等于3.5、小于或等于3、小于或等于2.5、小于或等于2、小于或等于1、小于或等于0.2、小于或等于0.1、小于或等于0.05、或者小于或等于0.01。在一些实施方案中，活性生长材料或其前体包含的铁的量使得活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱金属和碱土金属的原子总数之比相等地为0。其他范围也是可能的。
活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱金属和碱土金属的原子总数之比可以以如下方式计算。首先，确定活性生长材料或其前体中碱金属原子的总数。然后，确定活性生长材料或其前体中碱土金属原子的总数。在该步骤之后，确定活性生长材料或其前体中铁原子的总数。最后，使用下式以确定活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱金属和碱土金属的原子总数之比：
其中r铁:碱金属和碱土金属是活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱金属和碱土金属的原子总数之比；n总碱土金属是活性生长材料或其前体中碱土金属原子的总数；n总碱金属是活性生长材料或其前体中碱金属原子的总数；以及n总铁是活性生长材料或其前体中铁原子的总数。
在一些实施方案中，活性生长材料或其前体不包含铁或者包含的铁的量使得活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱金属的原子数之比小于或等于3.5。在某些实施方案中，活性生长材料或其前体包含的铁的量使得活性生长材料或其前体中铁的原子数与任何碱金属的原子数之比小于或等于3.5、小于或等于3、小于或等于2.5、小于或等于2、小于或等于1、小于或等于0.2、小于或等于0.1、小于或等于0.05、或者小于或等于0.01。在一些实施方案中，活性生长材料或其前体包含的铁的量使得活性生长材料或其前体中铁的原子数与任何碱金属的原子数之比相等地为0。其他范围也是可能的。
活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱金属的原子数之比可以以如下方式计算。首先，确定活性生长材料或其前体中碱金属原子的总数。在该步骤之后，确定活性生长材料或其前体中铁原子的总数。然后，使用下式以确定活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱金属的原子数之比：
其中r铁:碱金属是活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱金属的原子数之比；n总碱金属是活性生长材料或其前体中碱金属原子的总数；以及n总铁是活性生长材料或其前体中铁原子的总数。
在一些实施方案中，活性生长材料或其前体不包含铁或者包含的铁的量使得活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱土金属的原子数之比小于或等于3.5。在某些实施方案中，活性生长材料或其前体包含的铁的量使得活性生长材料或其前体中铁的原子数与任何碱土金属的原子数之比小于或等于3.5、小于或等于3、小于或等于2.5、小于或等于2、小于或等于1、小于或等于0.2、小于或等于0.1、小于或等于0.05、或者小于或等于0.01。在一些实施方案中，活性生长材料或其前体包含的铁的量使得活性生长材料或其前体中铁的原子数与任何碱土金属的原子数之比相等地为0。其他范围也是可能的。
活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱土金属的原子数之比可以以如下方式计算。首先，确定活性生长材料或其前体中碱土金属原子的总数。在该步骤之后，确定活性生长材料或其前体中铁原子的总数。然后，使用下式以确定活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱土金属的原子数之比：
其中r铁:碱土金属是活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱金属的原子数之比；n总碱土金属是活性生长材料或其前体中碱土金属原子的总数；以及n总铁是活性生长材料或其前体中铁原子的总数。
在一些实施方案中，活性生长材料或其前体不包含铁或者包含的铁的量使得活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中钠和钾的原子总数之比小于或等于3.5。在某些实施方案中，活性生长材料或其前体包含的铁的量使得活性生长材料或其前体中铁的原子数与钠和钾的原子总数之比小于或等于3.5、小于或等于3、小于或等于2.5、小于或等于2、小于或等于1、小于或等于0.2、小于或等于0.1、或者小于或等于0.01。在一些实施方案中，活性生长材料或其前体包含的铁的量使得活性生长材料或其前体中铁的原子数与钠和钾的原子总数之比相等地等于0。其他范围也是可能的。
活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中钠和钾的原子总数之比可以以如下方式计算。首先，确定活性生长材料或其前体中钠原子的总数。然后，确定活性生长材料或其前体中钾原子的总数。在该步骤之后，确定活性生长材料或其前体中铁原子的总数。最后，使用下式以确定活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中钠和钾的原子总数之比：
其中r铁:钠和钾是活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中钠和钾的原子总数之比；n总钠是活性生长材料或其前体中钠原子的总数；n总钾是活性生长材料或其前体中钾原子的总数；以及n总铁是活性生长材料或其前体中铁原子的总数。
在一些实施方案中，活性生长材料或其前体不包含铁或者包含的铁的量使得活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中钠的原子数之比小于或等于3.5。在某些实施方案中，活性生长材料或其前体包含的铁的量使得活性生长材料或其前体中铁的原子数与钠的原子数之比小于或等于3.5、小于或等于3、小于或等于2.5、小于或等于2、小于或等于1、小于或等于0.2、小于或等于0.1、或者小于或等于0.01。在一些实施方案中，活性生长材料或其前体包含的铁的量使得活性生长材料或其前体中铁的原子数与钠的原子数之比相等地等于0。其他范围也是可能的。
活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中钠的原子数之比可以以如下方式计算。首先，确定活性生长材料或其前体中钠原子的总数。在该步骤之后，确定活性生长材料或其前体中铁原子的总数。然后，使用下式以确定活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中钠的原子数之比：
其中r铁:钠是活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中钠的原子数之比；n总钠是活性生长材料或其前体中钠原子的总数；以及n总铁是活性生长材料或其前体中铁原子的总数。
在一些实施方案中，活性生长材料或其前体不包含铁或者包含的铁的量使得活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中钾的原子数之比小于或等于3.5。在某些实施方案中，活性生长材料或其前体包含的铁的量使得活性生长材料或其前体中铁的原子数与钾的原子数之比小于或等于3.5、小于或等于3、小于或等于2.5、小于或等于2、小于或等于1、小于或等于0.2、小于或等于0.1、或者小于或等于0.01。在一些实施方案中，活性生长材料或其前体包含的铁的量使得活性生长材料或其前体中铁的原子数与钾的原子数之比相等地等于0。其他范围也是可能的。
活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中钾的原子数之比可以以如下方式计算。首先，确定活性生长材料或其前体中钾原子的总数。在该步骤之后，确定活性生长材料或其前体中铁原子的总数。然后，使用下式以确定活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中钾的原子数之比：
其中r铁:钾是活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中钾的原子数之比；n总钾是活性生长材料或其前体中钾原子的总数；以及n总铁是活性生长材料或其前体中铁原子的总数。
根据一些实施方案，铁在存在时可以是以下形式中的任一种或更多种：元素铁、包含铁的金属合金、和/或一种或更多种铁盐。铁可以具有任意的氧化态，包括-4、-3、-2、0、+1、+2、+3、+4、+5和+6。其他氧化态也是可能的。包含在生长材料中的铁原子可以都具有相同的氧化态，或者可以具有不同的氧化态。本领域普通技术人员将能够确定给定活性生长材料或其前体的铁含量和铁状态。例如，可以使用X射线光电子能谱(XPS)来确定活性生长材料或其前体的组成。可以使用任选地与XPS联接的X射线衍射(XRD)来确定活性生长材料或其前体的晶体结构。可以使用二次离子质谱(SIMS)来确定作为深度函数的化学组成。
在一些实施方案中，活性生长材料或其前体包含相对低量的过渡金属。例如，在一些实施方案中，活性生长材料或其前体不包含过渡金属或者包含的过渡金属的量使得活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱金属和任何碱土金属的原子总数之比小于或等于3.5。本文使用的术语“过渡金属”是指以下化学元素：钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、钇、锆、铌、钼、锝、钌、铑、钯、银、镉、铪、钽、钨、铼、锇、铱、铂、金、汞、 和在某些实施方案中，活性生长材料或其前体包含的过渡金属的量使得活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱金属和碱土金属的原子总数之比小于或等于3.5、小于或等于3、小于或等于2.5、小于或等于2、小于或等于1、小于或等于0.2、小于或等于0.1、或者小于或等于0.01。在一些实施方案中，活性生长材料或其前体包含的过渡金属的量使得活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱金属和碱土金属的原子总数之比相等地等于0。其他范围也是可能的。
活性生长材料或其前体中过渡金属的原子总数与活性生长材料或其前体中任何碱金属和碱土金属的原子总数之比可以以如下方式来计算。首先，确定活性生长材料或其前体中碱金属原子的总数。然后，确定活性生长材料或其前体中碱土金属原子的总数。在该步骤之后，确定活性生长材料或其前体中过渡金属原子的总数。最后，使用下式以确定活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱金属和碱土金属的原子总数之比：
其中r过渡金属：碱金属和碱土金属是活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱金属和碱土金属的原子总数之比；n总碱土金属是活性生长材料或其前体中碱土金属原子的总数；n总碱金属是活性生长材料或其前体中碱金属原子的总数；以及n总过渡金属是活性生长材料或其前体中过渡金属原子的总数。
在一些实施方案中，活性生长材料或其前体不包含过渡金属或者包含的过渡金属的量使得活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱金属的原子数之比小于或等于3.5。在某些实施方案中，活性生长材料或其前体包含的过渡金属的量使得活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与任何碱金属的原子数之比小于或等于3.5、小于或等于3、小于或等于2.5、小于或等于2、小于或等于1、小于或等于0.2、小于或等于0.1、或者小于或等于0.01。在一些实施方案中，活性生长材料或其前体包含的过渡金属的量使得活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与任何碱金属的原子数之比相等地等于0。其他范围也是可能的。
活性生长材料或其前体中铁的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱金属的原子数之比可以以如下方式来计算。首先，确定活性生长材料或其前体中碱金属原子的总数。在该步骤之后，确定活性生长材料或其前体中过渡金属原子的总数。然后，使用下式以确定活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱金属的原子数之比：
其中r过渡金属:碱金属是活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱金属的原子数之比；n总碱金属是活性生长材料或其前体中碱金属原子的总数；以及n总过渡金属是活性生长材料或其前体中过渡金属原子的总数。
在一些实施方案中，活性生长材料或其前体不包含过渡金属或者包含的过渡金属的量使得活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱土金属的原子数之比小于或等于3.5。在某些实施方案中，活性生长材料或其前体包含的过渡金属的量使得活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与任何碱土金属的原子数之比小于或等于3.5、小于或等于3、小于或等于2.5、小于或等于2、小于或等于1、小于或等于0.2、小于或等于0.1、或者小于或等于0.01。在一些实施方案中，活性生长材料或其前体包含的过渡金属的量使得活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与任何碱土金属的原子数之比相等地等于0。其他范围也是可能的。
活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱土金属的原子数之比可以以如下方式来计算。首先，确定活性生长材料或其前体中碱土金属原子的总数。在该步骤之后，确定活性生长材料或其前体中过渡金属原子的总数。然后，使用下式以确定活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱土金属的原子数之比：
其中r过渡金属:碱土金属是活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与活性生长材料或其前体中任何碱土金属的原子数之比；n总碱土金属是活性生长材料或其前体中碱土金属原子的总数；以及n总过渡金属是活性生长材料或其前体中过渡金属原子的总数。
在一些实施方案中，活性生长材料或其前体不包含过渡金属或者包含的过渡金属的量使得活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与活性生长材料或其前体中钠和钾的原子总数之比小于或等于3.5。在某些实施方案中，活性生长材料或其前体包含的过渡金属的量使得活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与钠和钾的原子总数之比小于或等于3.5、小于或等于3、小于或等于2.5、小于或等于2、小于或等于1、小于或等于0.2、小于或等于0.1、或者小于或等于0.01。在一些实施方案中，活性生长材料或其前体包含的过渡金属的量使得活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与钠和钾的原子总数之比相等地等于0。其他范围也是可能的。
活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与活性生长材料或其前体中钠和钾的原子总数之比可以以如下方式来计算。首先，确定活性生长材料或其前体中钠原子的总数。然后，确定活性生长材料或其前体中钾原子的总数。在该步骤之后，确定活性生长材料或其前体中过渡金属原子的总数。最后，使用下式以确定活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与活性生长材料或其前体中钠和钾的原子总数之比：
其中r过渡金属:钠和钾是活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与活性生长材料或其前体中钠和钾的原子总数之比；n总钠是活性生长材料或其前体中钠原子的总数；n总钾是活性生长材料或其前体中钾原子的总数；以及n总过渡金属是活性生长材料或其前体中过渡金属原子的总数。
在一些实施方案中，活性生长材料或其前体不包含过渡金属或者包含的过渡金属的量使得活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与活性生长材料或其前体中钠的原子数之比小于或等于3.5。在某些实施方案中，活性生长材料或其前体包含的过渡金属的量使得活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与钠的原子数之比小于或等于3.5、小于或等于3、小于或等于2.5、小于或等于2、小于或等于1、小于或等于0.2、小于或等于0.1、或者小于或等于0.01。在一些实施方案中，活性生长材料或其前体包含的过渡金属的量使得活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与钠的原子数之比相等地等于0。其他范围也是可能的。
活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与活性生长材料或其前体中钠的原子数之比可以以如下方式来计算。首先，确定活性生长材料或其前体中钠原子的总数。在该步骤之后，确定活性生长材料或其前体中过渡金属原子的总数。然后，使用下式以确定活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与活性生长材料或其前体中钠的原子数之比：
其中r过渡金属:钠是活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与活性生长材料或其前体中钠的原子数之比；n总钠是活性生长材料或其前体中钠原子的总数；以及n总过渡金属是活性生长材料或其前体中过渡金属原子的总数。
在一些实施方案中，活性生长材料或其前体不包含过渡金属或者包含的过渡金属的量使得活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与活性生长材料或其前体中钾的原子数之比小于或等于3.5。在某些实施方案中，活性生长材料或其前体包含的过渡金属的量使得活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与钾的原子数之比小于或等于3.5、小于或等于3、小于或等于2.5、小于或等于2、小于或等于1、小于或等于0.2、小于或等于0.1、或者小于或等于0.01。在一些实施方案中，活性生长材料或其前体包含的过渡金属的量使得活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与钾的原子数之比相等地等于0。其他范围也是可能的。
活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与活性生长材料或其前体中钾的原子数之比可以以如下方式来计算。首先，确定活性生长材料或其前体中钾原子的总数。在该步骤之后，确定活性生长材料或其前体中过渡金属原子的总数。然后，使用下式以确定活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与活性生长材料中钠的原子数之比：
其中r过渡金属：钾是活性生长材料或其前体中过渡金属的原子数与活性生长材料或其前体中钾的原子数之比；n总钾是活性生长材料或其前体中钾原子的总数；以及n总过渡金属是活性生长材料或其前体中过渡金属原子的总数。
根据一些实施方案，活性生长材料或其前体中的过渡金属在存在时可以是以下形式中的任一种或更多种：元素过渡金属、包含一种或更多种过渡金属的金属合金、和/或一种或更多种过渡金属盐。过渡金属在存在于活性生长材料或其前体中时可以具有任意的氧化态，包括-4、-3、-2、0、+1、+2、+3、+4、+5、+6和+7。其他氧化态也是可能的。包含在生长材料中的过渡金属原子可以都具有相同的氧化态，或者可以具有不同的氧化态。本领域普通技术人员将能够确定给定活性生长材料或其前体的过渡金属含量和过渡金属状态。例如，可以使用X射线光电子能谱(XPS)来确定活性生长材料或其前体的组成。可以使用任选地与XPS联接的X射线衍射(XRD)来确定活性生长材料或其前体的晶体结构。可以使用二次离子质谱(SIMS)来确定作为深度函数的化学组成。
在某些实施方案中，活性生长材料或其前体的相对大比例的原子是碱土金属和/或碱金属。在一些实施方案中，活性生长材料或其前体的大于或等于50％、大于或等于75％、大于或等于90％、大于或等于95％或者大于或等于99％的原子是碱土金属和/或碱金属。根据某些实施方案，构成活性生长材料或其前体的小于或等于100％、小于或等于99％、小于或等于95％、小于或等于90％或者小于或等于75％的原子是碱土金属和/或碱金属。上述范围的组合也是可能的。其他范围也是可能的。
根据某些实施方案，生长的基于碳的纳米结构的至少50％直接接触碱金属和碱土金属中的至少一者(例如，在生长过程期间和/或紧接在生长过程之后)。在某些实施方案中，生长的基于碳的纳米结构的至少60％、至少70％、至少80％、至少90％、至少95％、至少99％或全部直接接触碱金属和碱土金属中的至少一者(例如，在生长过程期间或紧接在生长过程之后)。在某些实施方案中，生长的基于碳的纳米结构的至少60％、至少70％、至少80％、至少90％、至少95％、至少99％或全部直接接触碱土金属(例如，在生长过程期间或紧接在生长过程之后)。在某些实施方案中，生长的基于碳的纳米结构的至少60％、至少70％、至少80％、至少90％、至少95％、至少99％或全部直接接触碱金属(例如，在生长过程期间或紧接在生长过程之后)。在某些实施方案中，生长的基于碳的纳米结构的至少60％、至少70％、至少80％、至少90％、至少95％、至少99％或全部直接接触钠和钾中的至少一者(例如，在生长过程期间或紧接在生长过程之后)。在某些实施方案中，生长的基于碳的纳米结构的至少60％、至少70％、至少80％、至少90％、至少95％、至少99％或全部直接接触钠(例如，在生长过程期间或紧接在生长过程之后)。在某些实施方案中，生长的基于碳的纳米结构的至少60％、至少70％、至少80％、至少90％、至少95％、至少99％或全部直接接触钾(例如，在生长过程期间或紧接在生长过程之后)。在一些实施方案中，基于碳的纳米结构可以以使碱金属或碱土金属位于基于碳的纳米结构与任选的基底之间的方式接触碱金属或碱土金属。在一些实施方案中，基于碳的纳米结构可以以使基于碳的纳米结构在碱金属或碱土金属与任选的基底之间的方式接触碱金属或碱土金属。
通常，彼此直接接触的材料是彼此直接相邻而没有中间材料。
在一些实施方案中，至少50％的基于碳的纳米结构的生长通过碱金属和碱土金属中的至少一者活化。在某些实施方案中，至少75％、至少90％、至少95％或至少99％的基于碳的纳米结构的生长通过碱金属和碱土金属中的至少一者活化。根据某些实施方案，100％的基于碳的纳米结构的生长通过碱金属和碱土金属中的至少一者活化。在某些实施方案中，活化包括降低前体的碳原子在并入基于碳的纳米结构中之前的状态与前体的碳原子在并入基于碳的纳米结构中之后的状态之间的能垒。在某些实施方案中，活化可以包括大幅加快生长速率。在一些实施方案中，活化可以在在不存在活化的情况下生长不会发生或显著受阻的条件下引起生长的发生。本领域普通技术人员将能够例如通过以下过程来确定特定材料的存在对基于碳的纳米结构生长的活性的影响：确定在特定材料的存在下生长的基于碳的纳米结构的数目，确定在不存在特定材料的情况下但在其他方面基本上相同的条件下生长的基于碳的纳米结构的数目，并且比较这两个量。
本文所述的某些但不一定是全部的活性生长材料可以具有与其他材料相比的优点。例如，本文所述的活性生长材料可以能够促进在挑战性的基底例如聚合物、碳、金属和陶瓷上的纳米结构生长。作为一个实例，根据某些实施方案。本文所述的活性生长材料可以促进在经上浆的碳纤维基底上的纳米结构生长。在一些实施方案中，本文所述的活性生长材料还可以耐氧化物形成。根据某些实施方案，本文所述的活性生长材料可以促进在低温下的生长。
在一些实施方案中，活性生长材料或其前体由包含活性生长材料(或活性材料前体)颗粒的液体沉积在任选的生长基底上。不希望受任何特定理论的束缚，活性生长材料或其前体离开液体并沉积到基底上的方式可能提高活性生长材料对碳纳米结构生长的活性。例如，在一些情况下，活性生长材料活性的提高可能由于相对大数目的活性生长材料(或活性生长材料前体)颗粒的聚集而出现。在一些情况下，活性生长材料活性的提高可能由于一种或更多种活性生长材料颗粒的表面形态变化和/或由于由来自液体的活性生长材料颗粒和掺杂剂的共沉积产生的掺杂效应而出现。
在一些实施方案中，活性生长材料或其前体可以通过气相沉积过程沉积在任选的生长基底上。例如，活性生长材料或其前体可以通过溅射和/或蒸发沉积中的一种或更多种沉积。在一些实施方案中，气相沉积过程之后可以进行一个或更多个附加过程以形成纳米颗粒。附加过程可以包括向活性生长材料或其前体施加热和/或将活性生长材料或其前体暴露于化学品中的至少一种或两种。
在一些情况下，可以将多个活性生长材料颗粒或活性生长材料前体的颗粒组织化成单层或多层膜。单层或多层膜例如可以使用Langmuir-Schaffer or Langmuir-Blodgett方法来制备。作为具体实例，可以将预制的纳米颗粒分散在运载流体(例如甲苯)中，然后可以将其作为薄层转移(例如，通过移液管)到另一流体(例如水)层上。然后可以蒸发运载流体，留下纳米颗粒的膜。然后可以将膜转移到基底上并用于生长基于碳的纳米结构。
在一些情况下，活性生长材料或其前体可以包含多个纳米级特征。如本文所使用的，“纳米级特征”是指在制品上的至少一个截面尺寸小于1微米的特征，例如突起、凹槽或凹陷、颗粒或其他可测量的几何特征。在一些情况下，纳米级特征的至少一个截面尺寸可以小于500nm，小于250nm，小于100nm，小于10nm，小于5nm，小于3nm，小于2nm，小于1nm，为0.3nm至10nm，为10nm至100nm，或者为100nm至1微米。不希望受任何理论束缚，纳米级特征可以增加反应、成核步骤或纳米结构形成中涉及的其他过程发生的速率。纳米级特征可以例如通过使活性生长材料或其前体的表面粗糙化来形成。
活性生长材料或其前体可以包含一个颗粒或者可以包含复数个颗粒。任意的活性生长材料颗粒(或前体颗粒)可以具有任意尺寸。在一些实施方案中，一个或更多个活性生长材料颗粒(或前体颗粒)的长度、宽度和深度中的一者或更多者具有纳米级尺寸。活性生长材料颗粒(或活性生长材料前体颗粒)可以为纳米颗粒、纳米线和/或薄膜。在一些情况下，活性生长材料或其前体可以包含纳米颗粒。通常，所使用的术语“纳米颗粒”是指最大截面尺寸小于1微米的任何颗粒。在一些实施方案中，活性生长材料纳米颗粒或活性生长材料前体纳米颗粒的最大截面尺寸可以小于500nm，小于250nm，小于100nm，小于10nm，小于5nm，小于3nm，小于2nm，小于1nm，为0.3nm至10nm，为10nm至100nm，或者为100nm至1微米。在一些情况下，多个活性生长材料纳米颗粒或活性生长材料前体纳米颗粒的平均最大截面尺寸可以小于1微米，小于100nm，小于10nm，小于5nm，小于3nm，小于2nm，小于1nm，为0.3nm至10nm，为10nm至100nm，或者为100nm至1微米。如本文所使用的，“最大截面尺寸”是指可以测量的单独结构的两个相对边界之间的最大距离。多个结构的“平均最大截面尺寸”是指数值平均。根据某些实施方案，一个或更多个活性生长材料颗粒或活性生长材料前体颗粒的长度、宽度和深度中的一者或更多者可以具有微米级或更大的尺寸。
活性生长材料或其前体可以具有任意形状。可接受的形状的非限制实例包括球体、圆柱体、立方体和平行六面体。在某些实施方案中，活性生长材料或其前体可以是有小平面的(faceted)。在一些实施方案中，活性生长材料或其前体可以具有对称性低或无对称性的形态。形成纳米线的活性生长材料或活性生长材料前体可以具有为圆形、三角形、正方形、矩形、五边形、六边形、七边形、八边形等的截面。在另一些实施方案中，形成纳米线的活性生长材料或活性生长材料前体可以具有对称性低或无对称性的截面。在其中使用活性生长材料颗粒或活性生长材料前体颗粒的某些实施方案中，所有的活性生长材料颗粒或活性生长材料前体颗粒可以具有相同或基本上相似的形态。在另一些实施方案中，活性生长材料颗粒或活性生长材料前体颗粒可以包括不同或基本上不同的形态。在一些情况下，活性生长材料或其前体可以以图案(例如，线、点或任意其他合适的形式)沉积在任选的生长基底上。
在其中活性生长材料(或其前体)是颗粒形式的一些情况下，颗粒可以是基本上相同的形状和/或尺寸(“单分散”)。例如，颗粒的尺寸分布可以使得颗粒的最大截面尺寸的标准偏差为颗粒的平均最大截面尺寸的不大于50％、不大于25％、不大于10％、不大于5％、不大于2％或不大于1％。标准偏差(小写σ)以其在本领域中的普通含义给出，并且可以计算如下：
其中Di是颗粒i的最大截面尺寸，Davg是颗粒的截面尺寸的平均值，以及n是颗粒数。以上列出的颗粒的标准偏差与平均最大截面尺寸之间的百分比对比可以通过标准偏差除以平均值并乘以100％来获得。
活性生长材料或其前体可以具有任意的原子排列。在一些实施方案中，活性生长材料或其前体可以包含颗粒或者为单晶、多晶和/或无定形的其他形式。在某些实施方案中，活性生长材料或活性生长材料前体的每个颗粒具有相同的原子结构。在另一些实施方案中，活性生长材料或活性生长材料前体的不同颗粒可以具有不同的原子结构。
在一些情况下，活性生长材料或其前体接触包含与制成活性生长材料或其前体的材料不同的材料的生长基底的一部分(例如，接触生长基底的活性生长材料或其前体的部分)。在一些情况下，活性生长材料或其前体接触包含与制成活性生长材料或其前体的材料相同的材料的生长基底的一部分(例如，接触生长基底的活性生长材料或其前体的部分)。
如上所述，基于碳的纳米结构可以通过将活性生长材料暴露于一种或更多种基于碳的纳米结构的前体来生长。根据某些实施方案，前体可以参与其中碳从前体中解离并形成新的共价键以生长基于碳的纳米结构的化学反应。
根据一些实施方案，纳米结构前体在并入基于碳的纳米结构中之前存在于气相中。例如，根据某些实施方案，可以使用气态乙炔和/或二氧化碳作为基于碳的纳米结构前体。然而，基于碳的纳米结构的前体不一定需要在气相中，并且在某些实施方案中，前体在固相和/或液相中(除气相前体之外或代替气相前体)。在包含多于一种前体的某些实施方案中，各前体可以在一种或更多种相中。不同的前体可以在相同的相中或者可以在不同的相中。
根据一些实施方案，前体包含二氧化碳(CO2)。前体中的二氧化碳可以处于物质的任何状态，包括固体、液体和/或气体。在某些但不一定是所有的实施方案中，使用气态二氧化碳前体。二氧化碳可以为这些形式中的多于一者，例如，当反应条件包括多于一种相的二氧化碳稳定时的温度和压力。在一些实施方案中，二氧化碳是唯一存在的前体。在另一些实施方案中，二氧化碳是活性生长材料所暴露的两种或更多种前体之一。不希望受任何特定理论的束缚，观察到与在不存在二氧化碳的情况下但在其他方面基本上相同的条件下基于碳的纳米结构可以生长的温度相比，使用二氧化碳前体可以允许在相对低的温度下生长基于碳的纳米结构(例如，碳纳米管)。
根据一些实施方案，前体包含烃和醇中的至少一者。在某些实施方案中，前体可以包含一种或更多种烃但不包含醇。在另一些实施方案中，前体可以包含一种或更多种醇但不包含烃。在又一些实施方案中，前体可以同时包含一种或更多种烃和一种或更多种醇。在一些这样的实施方案中，烃和/或醇是唯一存在的前体。在另一些实施方案中，前体还包含另外的分子。例如，在一些实施方案中，除了烃和/或醇之外，前体还包含二氧化碳。在一组特定的实施方案中，前体包含至少一种炔烃(例如，乙炔)和二氧化碳。
本文中使用“烃”来描述仅由氢和碳组成的有机化合物。烃可以是饱和或不饱和的(在一个或更多个位置处)，并且可以具有线性、支化、单环或多环结构。烃可以是脂族或芳族的，并且可以包含一个或更多个烷基、烯烃和/或炔烃官能团。在某些实施方案中，烃是烷烃。在一些实施方案中，烃是烯烃。在某些实施方案中，烃是炔烃。在一些实施方案中，烃是C1-C10烃，例如C1-C8烃、C1-C6烃或C1-C4烃。例如，在一些实施方案中，烃是C1-C10炔烃、C1-C8炔烃、C1-C6炔烃或C1-C4炔烃。在一些实施方案中，烃是C1-C10烷烃、C1-C8烷烃、C1-C6烷烃或C1-C4烷烃。在某些实施方案中，烃是C1-C10烯烃、C1-C8烯烃、C1-C6烯烃或C1-C4烯烃。烃可以具有任意的分子量。合适的烃的非限制性实例包括甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)和乙炔(C2H2)。在某些但不一定是所有的实施方案中，烃包含乙炔。
如本文所使用的，术语“醇”是指具有至少一个羟基(-OH)官能团的分子。醇的非限制性实例包括甲醇、乙醇、(异)丙醇和丁醇。醇可以是饱和或不饱和的(在一个或更多个位置处)，并且可以具有线性、支化、单环或多环结构。醇可以是脂族或芳族的，并且可以包含一个或更多个烷基、烯烃和/或炔烃官能团。在某些但不一定是所有的实施方案中，醇可以包含多于一个-OH官能团。在一些实施方案中，醇为C1-C10醇，例如C1-C8醇、C1-C6醇或C1-C4醇。
在一些实施方案中，至少50％的纳米结构前体由烃、醇和二氧化碳的组合构成。在某些实施方案中，至少60％、至少70％、至少80％、至少90％、至少95％、至少99％或全部的纳米结构前体由烃、醇和二氧化碳的组合构成。在某些实施方案中，至少50％、至少60％、至少70％、至少80％、至少90％、至少95％、至少99％或全部的纳米结构前体由烃和二氧化碳的组合构成。在某些实施方案中，至少60％、至少70％、至少80％、至少90％、至少95％、至少99％或全部的纳米结构前体由炔烃(例如，C1-C10、C1-C8、C1-C6或C1-C4炔烃)和二氧化碳的组合构成。在某些实施方案中，至少60％、至少70％、至少80％、至少90％、至少95％、至少99％或全部的纳米结构前体由乙炔和二氧化碳的组合构成。其他范围也是可能的。
如上所述，纳米结构前体材料可以在任何合适的相中。在一组实施方案中，纳米结构前体材料包含固体。固体前体材料的实例包括例如煤、焦炭、无定形碳、未热解的有机聚合物(例如，苯酚-甲醛、间苯二酚-甲醛、三聚氰胺-甲醛等)、部分热解的有机聚合物、金刚石、石墨烯、石墨或碳的任何其他合适的固体形式。在一些实施方案中，固体前体材料可以以至少25重量％、至少50重量％、至少75重量％、至少85重量％、至少90重量％、至少95重量％、至少98重量％或至少99重量％的量包含碳。
在一组实施方案中，纳米结构前体材料包含固体和非固体(例如，液体、气体等)两者。例如，纳米结构前体材料可以包含气相前体材料和放置在靠近活性生长材料或接触活性生长材料的固体形式的碳。作为具体实例，固体前体组分可以作为烟灰(soot)、无定形碳、石墨烯或石墨沉积在活性生长材料上或附近，并且活性生长材料可以暴露于包含烃(例如，甲烷、乙烯、乙炔等)的蒸气。不希望受任何特定理论的束缚，在一些生长条件下，固体前体材料的存在可以允许在不存在固体前体材料的情况下不可能发生的纳米结构生长。在一些情况下，固体前体材料可以提供底部，可以自该底部添加非固体纳米结构前体以生长基于碳的纳米结构。例如，在一些实施方案中，小部分的碳纳米管可以用作可以使用非固体的碳纳米结构前体材料来生长更大的纳米管的起始材料。
如上所述，某些实施方案包括将纳米结构前体和活性生长材料暴露于引起基于碳的纳米结构在活性生长材料上生长的一组条件下。在一些情况下，该组条件可以促进基于碳的纳米结构在生长过程期间的成核。根据某些实施方案，基于碳的纳米结构可以在相对低的温度下生长。根据某些但不一定是所有的实施方案，在相对低的温度下生长基于碳的纳米结构的能力可以是有利的，因为使用低温可以减少进行生长过程所需的能量的量。根据一些实施方案，活性生长材料在基于碳的纳米结构的生长期间处于小于或等于500℃的温度下。在某些实施方案中，活性生长材料在基于碳的纳米结构的生长期间处于小于或等于475℃的温度下。根据某些实施方案，活性生长材料在基于碳的纳米结构的生长期间的温度可以小于或等于450℃、小于或等于425℃、小于或等于400℃、小于或等于350℃、小于或等于300℃、小于或等于250℃、小于或等于200℃、小于或等于150℃、或者小于或等于100℃。根据某些实施方案，活性生长材料在基于碳的纳米结构的生长期间的温度可以为大于或等于50℃、大于或等于100℃、大于或等于150℃、大于或等于200℃、大于或等于250℃、大于或等于300℃、大于或等于350℃、或者大于或等于400℃。上述范围的组合也是可能的(例如，大于或等于100℃且小于或等于500℃)。其他范围也是可能的。
在一些实施方案中，基于碳的纳米结构的前体在基于碳的纳米结构的生长期间处于小于或等于500℃的温度下。在某些实施方案中，基于碳的纳米结构的前体在基于碳的纳米结构的生长期间处于小于或等于475℃的温度下。在一些实施方案中，基于碳的纳米结构的前体在基于碳的纳米结构的生长期间的温度可以小于或等于450℃、小于或等于425℃、小于或等于400℃、小于或等于350℃、小于或等于300℃、小于或等于250℃、小于或等于200℃、小于或等于150℃、或者小于或等于100℃。根据某些实施方案，基于碳的纳米结构的前体在基于碳的纳米结构的生长期间的温度可以大于或等于50℃、大于或等于100℃、大于或等于150℃、大于或等于200℃、大于或等于250℃、大于或等于300℃、大于或等于350℃、或者大于或等于400℃。上述范围的组合也是可能的(例如，大于或等于100℃且小于或等于500℃)。其他范围也是可能的。在一些实施方案中，基于碳的纳米结构的前体在基于碳的纳米结构的生长期间处于在上述范围之外的温度下。
在某些实施方案中，基底(在存在时)在基于碳的纳米结构的生长期间处于小于或等于500℃的温度下。在某些实施方案中，基底(在存在时)在基于碳的纳米结构的生长期间处于小于或等于475℃的温度下。根据某些实施方案，基底(在存在时)在基于碳的纳米结构的生长期间的温度可以小于或等于450℃、小于或等于425℃、小于或等于400℃、小于或等于350℃、小于或等于300℃、小于或等于250℃、小于或等于200℃、小于或等于150℃、或者小于或等于100℃。根据某些实施方案，基底(在存在时)在基于碳的纳米结构的生长期间的温度可以大于或等于50℃、大于或等于100℃、大于或等于150℃、大于或等于200℃、大于或等于250℃、大于或等于300℃、大于或等于350℃、或者大于或等于400℃。上述范围的组合也是可能的(例如，大于或等于100℃且小于或等于500℃)。其他范围也是可能的。
根据某些实施方案，基于碳的纳米结构生长可以在其中封闭空间在根据某些实施方案的基于碳的纳米结构的生长期间的温度小于或等于500℃的容器内发生。在某些实施方案中，封闭空间在基于碳的纳米结构的生长期间处于小于或等于475℃的温度下。根据某些实施方案，封闭空间在基于碳的纳米结构的生长期间的温度可以小于或等于450℃、小于或等于425℃、小于或等于400℃、小于或等于350℃、小于或等于300℃、小于或等于250℃、小于或等于200℃、小于或等于150℃、或者小于或等于100℃。根据某些实施方案，封闭空间在基于碳的纳米结构的生长期间的温度可以大于或等于50℃、大于或等于100℃、大于或等于150℃、大于或等于200℃、大于或等于250℃、大于或等于300℃、大于或等于350℃、或者大于或等于400℃。上述范围的组合也是可能的(例如，大于或等于100℃且小于或等于500℃)。其他范围也是可能的。
在某些实施方案中，活性生长材料、基底(在存在时)、前体和容器(在存在时)中的两者或更多者处于相同的温度下。根据一些实施方案，活性生长材料、基底、前体和容器均不处于相同的温度下。在一些实施方案中，任一个或更多个组件的温度在生长之前和/或在生长任何时间段之后更高或更低。
在一些情况下，外部能量源可以与生长装置联接以提供能量，从而使生长位点达到生长所需的温度。外部能量源可以提供热能，例如，通过电阻加热邻近生长位点(例如，活性生长材料)的线圈或者通过使电流通过导电生长基底。在一些情况下，外部能量源可以向基底提供电场和/或磁场。在一些情况下，外部能量源可以通过磁控管加热、通过激光、或者通过直接电阻加热生长基底、或者这些中一种或更多种的组合来提供。在一些实施方案中，外部能量源可以作为闭环温度控制系统的组件提供。在一些实施方案中，外部能量源可以作为开环温度控制系统的部分提供。在一个说明性实施方案中，该组条件可以包括活性生长材料表面的温度、围绕活性生长材料的气氛的化学组成、围绕活性材料表面和在周围气氛内的反应气体(例如，纳米结构前体)的流动和压力、活性生长材料或活性生长材料前体或其他材料在基底(在存在时)的表面上的沉积或移除、和/或任选地基底的运动速率。在一些情况下，外部能量源可以向生长基底(在存在时)和/或活性生长材料提供X射线。不希望受任何特定理论的束缚，X射线可能向活性生长材料中引入氧缺陷，可能活化活性生长材料，和/或其可能改变接触活性生长材料的气体种类。
根据某些实施方案，基于碳的纳米结构的前体暴露于活性生长材料可以在特定温度、pH、溶剂、化学试剂、气氛类型(例如，氮气、氩气、氧气等)、电磁辐射等下发生。在一些情况下，可以选择基于碳的纳米结构的前体暴露于活性生长材料的一组条件以促进纳米结构的成核、生长、稳定化、移除和/或其他处理。在一些情况下，可以选择一组条件以促进活性生长材料的再活化、除去和/或置换。在一些情况下，可以选择一组条件以保持活性生长材料的活性。一些实施方案可以包括一组包括暴露于外部能量源的条件。能量源可以包括电磁辐射、电能、声能、热能或化学能。例如，该组条件包括暴露于热或电磁辐射、电阻加热、暴露于激光、或暴露于红外光。在一些实施方案中，该组条件包括暴露于特定温度、压力、化学物质和/或纳米结构前体材料。
根据某些实施方案，由前体生长基于碳的纳米结构可以在选择使得碳纳米管选择性地产生的条件下发生。在许多情况下，导致其他基于碳的纳米结构(例如石墨烯)产生的条件(例如，温度、压力等)不能成功地用于生产纳米管。在一些情况下，碳纳米管不会在将生长石墨烯的传统活性生长材料上生长。
根据某些实施方案，基于碳的纳米结构的生长可以在气态气氛下发生。所述气氛可以包含前体和任选的一种或更多种在基于碳的纳米结构的生长期间不被消耗的载气。合适的载气的实例包括但不限于氦气、氩气和氮气。
在其中二氧化碳和至少一种烃(例如，至少一种炔烃)用于基于碳的纳米结构的前体的某些实施方案中，二氧化碳与烃(例如，炔烃)的摩尔比为至少0.01:1、至少0.05:1、至少0.1:1、至少0.2:1、至少0.5:1、至少1:1或至少2:1(和/或，在某些实施方案中，至多10:1、至多13:1、至多15:1、至多20:1、至多100:1或更大)。在其中二氧化碳和至少一种烃用于基于碳的纳米结构的前体的一些实施方案中，二氧化碳与烃的摩尔比为至少0:1、至少0.01:1、至少0.05:1、至少0.1:1、至少0.2:1、至少0.5:1、至少1:1或至少2:1(和/或，在某些实施方案中，至多0.01:1、至多0.05:1、至多0.1:1、至多0.2:1、至多0.5:1、至多1:1、至多2:1、至多10:1、至多13:1、至多15:1、至多20:1、至多100:1或更大)。例如，在其中二氧化碳和乙炔(C2H2)用于基于碳的纳米结构的前体的一些实施方案中，二氧化碳与乙炔的摩尔比为至少0.01:1、至少0.05:1、至少0.1:1、至少0.2:1、至少0.5:1、至少1:1或至少2:1(和/或，在某些实施方案中，至多10:1、至多13:1、至多15:1、至多20:1、至多100:1或更大)。
在一些情况下，暴露在包括基本上大气压(即，约1atm或760托)的压力下发生。在一些情况下，暴露在小于1atm(例如，小于100托、小于10托、小于1托、小于0.1托、小于0.01托或更低)的压力下发生。在某些情况下，使用高压可以是有利的。例如，在一些实施方案中，暴露于一组条件包括在至少2atm、至少5atm、至少10atm、至少25atm或至少50atm的压力下暴露。
将气体引入气态气氛中可以以任何合适的速率进行。在一些实施方案中，在反应期间存在的任何气体可以以如下速率引入气态气氛中：大于或等于5sccm、大于或等于10sccm、大于或等于25sccm、大于或等于50sccm、大于或等于100sccm、大于或等于150sccm、大于或等于500sccm、或者大于或等于1000sccm。在一些实施方案中，在反应期间存在的任何气体可以以如下速率引入气态气氛中：大于或等于0.01sccm、大于或等于0.1sccm、大于或等于1sccm、大于或等于5sccm、大于或等于10sccm、大于或等于25sccm、大于或等于50sccm、大于或等于100sccm、大于或等于150sccm、大于或等于500sccm、或者大于或等于1000sccm。在反应期间存在的任何气体可以以如下速率引入气态气氛中：小于或等于1500sccm、小于或等于1000sccm、小于或等于500sccm、小于或等于150sccm、小于或等于100sccm、小于或等于50sccm、小于或等于25sccm、或者小于或等于10sccm。在反应期间存在的任何气体可以以如下速率引入气态气氛中：小于或等于1500sccm、小于或等于1000sccm、小于或等于500sccm、小于或等于150sccm、小于或等于100sccm、小于或等于50sccm、小于或等于25sccm、小于或等于10sccm、小于或等于5sccm、小于或等于1sccm、或者小于或等于0.1sccm。上述范围的组合也是可能的(例如，大于或等于10sccm且小于或等于25sccm)。其他范围也是可能的。如果引入多于一种气体，则气体可以以相同的速率引入，或者气体可以以不同的速率引入。气体可以在同一时间或在不同时间引入。气体可以以任意顺序引入(例如，前体可以在引入任何其他气体之前引入，可以在引入所有其他气体之后引入，或者可以在一些气体之前但在另一些气体之后引入)。
基于碳的纳米结构可以以任何合适的速率由前体生长。在一些实施方案中，基于碳的纳米结构可以由前体生长使得基于碳的纳米结构的长度以大于或等于0.1微米/分钟、大于或等于0.25微米/分钟、大于或等于0.5微米/分钟、大于或等于1微米/分钟、大于或等于2.5微米/分钟、或者大于或等于5微米/分钟的速率增加。在一些实施方案中，基于碳的纳米结构可以由前体生长使得基于碳的纳米结构的长度以至多10微米/分钟、至多50微米/分钟、至多100微米/分钟或更大的速率增加。上述范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0.1微米/分钟且至多100微米/分钟)。其他范围也是可能的。
基于碳的纳米结构可以由前体生长任何时间量。在某些实施方案中，生长可以发生如下的时间段：大于或等于1分钟、大于或等于2分钟、大于或等于5分钟、大于或等于10分钟、大于或等于15分钟、大于或等于30分钟、或者大于或等于60分钟。生长可以发生如下的时间段：小于或等于90分钟、小于或等于60分钟、小于或等于30分钟、小于或等于15分钟、小于或等于10分钟、小于或等于5分钟、或者小于或等于2分钟。上述范围的组合也是可能的(例如，大于或等于5分钟且小于或等于15分钟)。其他范围也是可能的。
在某些实施方案中，活性生长材料或其前体由基底负载。基底可以是单一材料，或者其可以是包含多于一种组分的复合基底。根据本文描述的某些系统和方法，可以使用各种生长基底。生长基底可以包含能够负载活性生长材料或其前体和/或生长的基于碳的纳米结构的任何材料。可以选择在用于特定过程的一组条件(例如，纳米结构生长条件、纳米结构移除条件等)下为惰性和/或稳定的生长基底。在一些情况下，生长基底包括基本上平坦的表面。在一些情况下，生长基底包括基本上非平面的表面。例如，生长基底可以包括圆柱形表面。
在一些实施方案中，基底可以为固体。根据某些实施方案，固体可以为单相材料，例如金属、陶瓷或聚合物。在一些实施方案中，固体可以为复合材料。在某些实施方案中，固体可以处于包括单晶、多晶、半晶质和/或无定形在内的任何结晶度状态。
根据某些实施方案，基底(或复合基底的组分)可以是对于升高的温度敏感的。例如，在一些实施方案中，基底(或复合基底的组分)在加热至相对低的温度时可以经历相变或显著的质量损失。某些(尽管不一定是所有)实施方案的一个优点是，基于碳的纳米结构可以在相对低的温度下生长，这可以允许基于碳的纳米结构在被认为是太温度敏感而不能负载基于碳的纳米结构生长的基底上的生长而不改变相或降解。
根据某些实施方案，活性生长材料或其前体由当在100％氮气气氛中在低于800℃的温度下时经历相变或显著的质量损失的基底负载。为了确定特定基底当在100％氮气气氛中在低于800℃的温度下时是否经历相变或显著的质量损失，将在100％氮气气氛中以5℃/分钟的升温速率(ramprate)从25℃加热基底。如果基底在这些条件下在低于800℃的任何温度下经历相变，则可以说基底在100％氮气气氛中在低于800℃的温度下经历相变。如果基底在这些条件下在低于800℃的任何温度下经历显著的质量损失(即，相对于初始质量的质量损失为0.1％或更大，例如损失为0.5％或更大、1％或更大、2％或更大、或者5％或更大)，则可以说基底在100％氮气气氛中在低于800℃的温度下经历显著的质量损失。在一些实施方案中，基底可以是当在100％氮气气氛中在低于700℃、低于650℃、低于600℃、低于550℃、低于500℃、低于475℃、低于450℃或低于425℃的温度下时经历相变或显著的质量损失的基底。其他范围也是可能的。在某些实施方案中，采用复合基底，并且接触基于碳的纳米结构的复合基底的组分可以是当在100％氮气气氛中在低于800℃、低于700℃、低于650℃、低于600℃、低于550℃、低于500℃、低于475℃、低于450℃或低于425℃的温度下时经历相变或显著的质量损失的组分。
根据某些实施方案，活性生长材料或其前体由当在100％氧气气氛中在低于650℃的温度下时经历相变或显著的质量变化的基底负载。为了确定特定基底当在100％氧气气氛中在低于650℃的温度下时是否经历相变或显著的质量变化，将在100％氧气气氛中以5℃/分钟的升温速率从25℃加热基底。如果基底在这些条件下在低于650℃的任何温度下经历相变，则可以说基底在100％氧气气氛中在低于650℃的温度下经历相变。如果基底在这些条件下在低于650℃的任何温度下经历显著的质量变化(即，相对于初始质量的质量增加或质量损失为0.1％或更大，例如质量增加或质量损失为0.5％或更大、1％或更大、2％或更大、或者5％或更大)，则可以说基底在100％氧气气氛中在低于650℃的温度下经历显著的质量变化。在一些实施方案中，基底可以是当在100％氧气气氛中在低于600℃、低于550℃、低于500℃、低于475℃、低于450℃或低于425℃的温度下时经历相变或显著的质量变化的基底。其他范围也是可能的。
在某些实施方案中，采用复合基底，并且接触基于碳的纳米结构的复合基底的组分可以是当在100％氧气气氛中在低于650℃、低于600℃、低于550℃、低于500℃、低于475℃、低于450℃或低于425℃的温度下时经历相变或显著的质量变化的组分。
在一些实施方案中，基底经历(例如，在上述的任何温度范围内)的相变可以包括玻璃化转变、不同晶体结构之间的转变、熔化转变、气化或冷凝转变、升华和/或转变为等离子体。在一些实施方案中，基底经历(例如，在上述的任何温度范围内)的相变包括玻璃化转变。在一些实施方案中，基底经历(例如，在上述的任何温度范围内)的相变包括熔化。在某些实施方案中，基底经历(例如，在上述的任何温度范围内)的相变包括气化和/或升华。本领域普通技术人员将知道用于测量相变的方法。例如，可以通过差示扫描量热法、偏振光显微术、流变学、视觉观察或其他方法来评价相变。
在一些实施方案中，基底作为整体在上述条件下经历显著的质量变化(例如，增加或减少)和/或相变。在某些实施方案中，复合基底的组分可以在上述条件下经历显著的质量变化(例如，增加或减少)和/或相变。例如，在一些实施方案中，包含纤维和上浆层的复合基底可以用作基底。在一些这样的实施方案中，复合基底的上浆层当如上概述地进行处理时(例如，如上所述，当在氮气和/或氧气气氛中时在低于800℃的至少一个温度下)可以经历相变和/或显著的质量变化。
根据某些实施方案，显著的质量变化(例如，基底或复合基底的组分的显著的质量变化)为大于或等于初始质量(例如，如上所述，当在氮气和/或氧气气氛下时)的0.1％的质量变化(增加或减少)。在一些实施方案中，显著的质量变化可以大于或等于初始质量(例如，如上所述，当在氮气下和/或氧气气氛下时)的0.5％、1％、2％、5％、10％、20％或50％。本领域普通技术人员还将知道用于测量质量损失的方法。例如，可以通过热重分析(在适当的气氛下)评价质量损失。在一些实施方案中，基底在纳米结构生长过程期间不经历相变或显著的质量损失(即，质量损失大于0.1％)。在一些实施方案中，基底在纳米结构生长过程期间不经历相变。在某些实施方案中，基底在纳米结构生长过程期间不经历显著的质量损失。在另一些实施方案中，基底可以在纳米结构生长过程期间经历相变。
根据一些实施方案，基底(例如，在其上负载活性生长材料和/或基于碳的纳米结构)是聚合物基底。通常，聚合物是在其化学结构中包含三个或更多个重复单体单元的材料。聚合物可以包含另外的重复单元并且可以具有任意的分子量。在一些实施方案中，基底可以包含纤维形式的聚合物，或者可以包含聚合物纤维。
在一些实施方案中，基底的聚合物的数均分子量大于或等于1,000Da、大于或等于5,000Da、大于或等于10,000Da、大于或等于25,000Da、大于或等于50,000Da、大于或等于100,000Da、或者大于或等于500,000Da。基底中的聚合物的数均分子量可以小于或等于1,000,000Da、小于或等于500,000Da、小于或等于100,000Da、小于或等于50,000Da、小于或等于25,000Da、小于或等于10,000Da、或者小于或等于5,000Da。上述范围的组合也是可能的(例如，大于或等于10,000Da且小于或等于50,000Da)。其他范围也是可能的。
在某些实施方案中，基底的聚合物的重均分子量大于或等于1,000Da、大于或等于5,000Da、大于或等于10,000Da、大于或等于25,000Da、大于或等于50,000Da、大于或等于100,000Da、或者大于或等于500,000Da。基底中的聚合物的重均分子量可以小于或等于1,000,000Da、小于或等于500,000Da、小于或等于100,000Da、小于或等于50,000Da、小于或等于25,000Da、小于或等于10,000Da、或者小于或等于5,000Da。上述范围的组合也是可能的(例如，大于或等于10,000Da且小于或等于50,000Da)。其他范围也是可能的。
根据某些实施方案，基底中的聚合物可以具有任何链结构。在一些实施方案中，聚合物可以是线性、支化和/或交联的分子。或者，它们可以是交联网络的形式。聚合物可以具有任何分子量、官能度和/或间距的支链或交联。根据一些实施方案，聚合物可以是高度单分散的。根据另一些实施方案，聚合物可以是多分散的。本领域普通技术人员将知道用于分散度的方法。例如，可以通过尺寸排阻色谱评价分散度。
聚合物基底可以具有任何期望的机械特性。在某些实施方案中，聚合物基底为橡胶状的、玻璃状的和/或半晶质的。
在一些实施方案中，聚合物可以为均聚物、聚合物的共混物、和/或共聚物。共聚物可以为无规共聚物、锥形共聚物和嵌段共聚物。在某些实施方案中，具有多于三个嵌段的嵌段共聚物可以包含两个或更多个由相同单体形成的嵌段。根据一些实施方案，聚合物的共混物可以为相分离的或单相的。
在一些实施方案中，聚合物可以为有机聚合物、无机聚合物或有机金属聚合物。根据某些但不一定是所有的实施方案，基底包含有机聚合物材料可以是有利的。在这样的实施方案中，至少50％、至少75％、至少90％、至少95％、或至少99％、或100％的聚合物基底由有机聚合物材料构成。在某些实施方案中，聚合物是合成来源的。合成来源的聚合物可以通过逐步生长或链生长过程形成，并且可以在聚合之后进一步官能化。合适的聚合物的非限制性实例包括聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚丙烯腈、聚丁二烯、聚异戊二烯、聚(二甲基硅氧烷)、聚(氯乙烯)、聚(四氟乙烯)、聚氯丁二烯、聚(乙烯醇)、聚(环氧乙烷)、聚碳酸酯、聚酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚氨酯、聚(对苯二甲酸乙二醇酯)、聚合的酚醛树脂、聚合的环氧树脂、对位芳族聚酰胺纤维、丝、胶原、角蛋白和明胶。可以用于生长基底的合适的聚合物的另外的实例包括但不限于相对高温的含氟聚合物(例如)、聚醚醚酮(PEEK)和聚醚酮(PEK)。在一些实施方案中，聚合物不是聚电解质。
在一些实施方案中，聚合物基底还可以包含添加剂。根据某些实施方案，聚合物基底可以是凝胶的形式并且包含溶剂。在一些实施方案中，聚合物基底可以包含填料、添加剂、增塑剂、小分子和包含陶瓷和/或金属的颗粒中的一者或更多者。在某些实施方案中，质量大于或等于50％、大于或等于80％、大于或等于90％、大于或等于95％、或者大于或等于99％的聚合物基底可以包含聚合物。其他范围也是可能的。
根据某些实施方案，聚合物可以形成复合基底的一种组分。例如，聚合物可以是形成在纤维例如碳纤维上的涂层。作为一个非限制性实例，在一些实施方案中，基底包含经上浆的碳纤维。
在一些实施方案中，基底可以包含碳(例如，无定形碳、碳气凝胶、碳纤维、石墨、玻璃碳、碳-碳复合材料、石墨烯、聚集的金刚石纳米棒、纳米金刚石、金刚石等)。
根据某些实施方案，基底(例如，其上负载活性生长材料或其前体和/或基于碳的纳米结构的基底)包含纤维。例如，在一些实施方案中，活性生长材料、活性生长材料前体和/或基于碳的纳米结构负载在碳纤维上。在某些实施方案中，活性生长材料、活性生长材料前体和/或基于碳的纳米结构负载在玻璃纤维上。根据一些实施方案，活性生长材料、活性生长材料前体和/或基于碳的纳米结构负载在包含以下材料中一者或更多者的纤维上：碳；碳玻璃；玻璃；氧化铝；玄武岩；金属(例如，钢、铝、钛)；芳族聚酰胺(例如，间位芳族聚酰胺如对位芳族聚酰胺)；液晶聚酯；聚(对亚苯基-2,6-苯并二唑)(PBO)；聚乙烯(例如，)；聚{2,6-二咪唑并[4,5-b:4’,5’-e]吡啶亚基-1,4-(2,5-二羟基)亚苯基}；以及这些的组合。在一些实施方案中，活性生长材料、活性生长材料前体和/或基于碳的纳米结构负载在包含聚醚醚酮(PEEK)和聚醚酮(PEK)中至少一者的纤维上。例如，在图1C中，基底308是细长的基底，并且可以对应于例如纤维，如碳纤维。基底308可以直接接触活性生长材料106。在一些这样的实施方案中，基于碳的纳米结构102可以在活性生长材料106上由前体104生长。
如上所述，在一些实施方案中，活性生长材料、活性生长材料前体和/或基于碳的纳米结构负载在碳纤维(例如，经上浆的碳纤维或未上浆的碳纤维)上。可以采用任何合适类型的碳纤维，包括例如航空航天级碳纤维、汽车/运动级碳纤维和/或微观结构碳纤维。在某些实施方案中，可以采用中模量(IM)或高模量(HM)碳纤维。在一些实施方案中，可以采用聚(丙烯腈)衍生的碳纤维。本发明的某些实施方案有利于与在其外皮中具有大程度的拉伸强度的碳纤维(例如，其中拉伸强度的至少50％、至少75％或至少90％由纤维的位于与纤维外皮相距小于0.1倍或小于0.05倍纤维的截面直径的距离处的部分赋予的纤维)一起使用，例如航空航天级中模量碳纤维。
在某些实施方案中，基底可以为基于碳的基底。在一些实施方案中，基于碳的生长基底以至少75重量％、至少90重量％、至少95重量％或者至少99重量％的量包含碳。也就是说，在一些实施方案中，至少75重量％、至少90重量％、至少95重量％或者至少99重量％的基于碳的生长基底由碳制成。
在一些实施方案中，生长基底可以是细长的。例如，在一些实施方案中，生长基底(例如，纤维基底)的长度与生长基底的直径或其他截面尺寸之比可以为至少2:1；至少3:1；至少5:1；至少10:1；至少50:1；至少100:1；至少500:1；至少1000:1；至少10,000:1；至少100,000:1；至少106:1；至少107:1；至少108:1；或者至少109:1。
在某些实施方案中，用作生长基底的纤维(例如碳纤维)可以具有相对大的截面尺寸(例如，相对于在纤维基底上生长的纳米结构)。例如，在某些实施方案中，纤维生长基底的最小截面尺寸可以为至少1微米、至少5微米或至少10微米(和/或在某些实施方案中，小于1mm、小于100微米或小于20微米)。通常，最小截面尺寸垂直于纤维的长度并通过纤维的纵轴测量。
在某些实施方案中，活性生长材料、活性生长材料前体和/或基于碳的纳米结构负载在经上浆的碳纤维上。经上浆的碳纤维可以是单根碳纤维或多根纤维集合的一部分。根据某些实施方案，纤维集合可以是单向的集合、丝束或织物。本领域普通技术人员熟悉“经上浆的”纤维(包括“经上浆的”碳纤维)。经上浆的纤维通常包括保护下面的纤维材料(例如碳)免受周围环境中的氧气和/或其他化学物质的影响的涂覆材料(例如，聚合物或其他涂覆材料)。根据某些实施方案，经上浆的纤维包括在上浆层内的一种或更多种聚合物。可以包括在经上浆的纤维(例如，经上浆的碳纤维)的浆料(sizing)中的聚合物的非限制性实例为有机硅烷、环氧树脂、聚氨酯橡胶、聚酯、低聚物聚酰亚胺、苯基乙炔基封端的酰亚胺低聚物、低聚物聚酰胺、聚羟基醚、尼龙，以及这些的组合。在一些实施方案中，上浆材料的聚合物不是聚电解质。
例如，在图1D中，基底308可以为纤维，例如碳纤维。材料408可以为聚合物材料，例如施加至经上浆的纤维(例如，经上浆的碳纤维)上的浆料。在一些这样的实施方案中，可以将活性生长材料106施加至材料408。在一些实施方案中，基于碳的纳米结构102可以在活性生长材料106(以及在材料408和基底308)上由纳米结构前体104生长。根据某些实施方案，基于碳的纳米结构可以生长而不导致材料408损失显著量的质量(即，质量损失为0.1％或更大，或者在一些情况下，在本文其他地方所述的任何其他范围)和/或不导致材料408经历相变。
在某些实施方案中，活性生长材料、活性生长材料前体和/或基于碳的纳米结构负载在预浸料(prepreg)上。如本文所使用的，术语“预浸料”是指包含嵌入纤维(例如碳纤维、玻璃纤维、碳化硅等的纤维)的热固性或热塑性树脂的一个或更多个层。在一些实施方案中，热固性材料包括环氧树脂、橡胶加强的环氧树脂、BMI、PMK-15、聚酯和/或乙烯基酯。在某些实施方案中，热塑性材料包括聚酰胺、聚酰亚胺、聚芳硫醚、聚醚酰亚胺、聚酯酰亚胺、聚芳撑、聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚丙烯、聚烯烃、聚酮、聚醚酮、聚醚酮酮、聚醚醚酮和/或聚酯。根据某些实施方案，预浸料包括对齐和/或交错(织造或编织)的纤维。在一些实施方案中，预浸料被布置成使得多个层的纤维不与其他层的纤维对齐，该布置由待形成的制品的定向刚度要求决定。在某些实施方案中，纤维不能在纵向上明显拉伸，因此，每层不能沿其纤维布置的方向明显拉伸。示例性的预浸料包括TORLON热塑性层合板、PEEK(聚醚醚酮，Imperial Chemical Industries，PLC，英国)、PEKK(聚醚酮酮，DuPont)热塑性塑料、来自Toray(日本)的T800H/3900 2热固性塑料和来自Hercules(麦格纳，犹他州)的AS4/3501 6热固性塑料。
在其中采用基底的一些实施方案中，选择活性生长材料(或其前体)、生长基底和/或生长纳米结构的条件，使得基底与活性生长材料之间的化学相互作用或降解的量相对较小。例如，在一些情况下，在形成纳米结构期间，活性生长材料不显著扩散至基底中或与基底显著地发生化学反应。本领域普通技术人员将能够确定给定活性生长材料是否已显著地扩散到基底中或已与基底显著地发生化学反应。例如，任选地具有深度剖析的X射线光电子能谱(XPS)可以用于确定活性生长材料是否已扩散至基底中或者基底的元素是否已扩散至活性生长材料中。任选地与XPS联接的X射线衍射(XRD)可以用于确定活性生长材料和基底是否彼此发生化学反应。二次离子质谱(SIMS)可以用于确定作为深度函数的化学组成。
图2示出了其中活性生长材料或活性生长材料前体106可以与基底108相互作用的一组实施方案。其中活性生长材料或活性生长材料前体与基底相互作用的体积显示为体积118。在图2中，球形活性生长材料或活性生长材料前体106A在体积118A的范围内与基底108相互作用，体积118A大致等于活性生长材料或活性生长材料前体102A的原始体积。球形活性生长材料或活性生长材料前体106B在体积118B的范围内与基底108相互作用，体积118B大致等于活性生长材料或活性生长材料前体102B的原始体积的三倍。示出了经润湿的活性生长材料或活性生长材料前体106C在体积118C的范围内与基底108相互作用，体积118C大致等于活性生长材料或活性生长材料前体106C的原始体积。此外，示出了基底108扩散至活性生长材料或活性生长材料前体106D中，其中相互作用体积表示为体积118D。在一些实施方案中，可以发生活性生长材料或活性生长材料前体与基底之间的化学反应，在这种情况下，其中活性生长材料或活性生长材料前体与基底相互作用的体积由反应产物的体积限定。化学产物的体积可以例如通过XPS分析使用XRD来确定，以确定产物的化学组成并验证其源自活性生长材料或活性生长材料前体。在一些实施方案中，活性生长材料或活性生长材料前体可以扩散至基底中，或者基底可以扩散至活性生长材料或活性生长材料前体中，在这种情况下，其中活性生长材料或活性生长材料前体与基底相互作用的体积由活性生长材料、活性生长材料前体和/或基底扩散的体积限定。活性生长材料或活性生长材料前体扩散的体积可以例如使用具有深度剖析的XPS来确定。
在一些实施方案中，与形成在基底上的活性生长材料的原始体积相比，其中活性生长材料与基底相互作用的体积(例如，通过活性生长材料与基底之间的化学反应产生的产物的体积，活性生长材料和/或基底扩散至另一者中的体积等)相对较小。在一些情况下，形成在基底上的活性生长材料的体积比其中活性生长材料与基底相互作用(例如，通过反应、通过扩散、通过机理的组合等)的体积大至少0.1％、至少0.5％、至少1％、至少5％、至少10％、至少25％、至少50％、至少100％、至少200％、至少500％、至少2500％、至少5000％、至少10,000％、至少50,000％、或至少100,000％。
在一些实施方案中，与基底相互作用(例如，通过活性生长材料与基底的反应、活性生长材料至基底中的扩散、基底至活性生长材料中的扩散、或者这些的组合)的活性生长材料的质量百分比相对较低。在一些实施方案中，形成在基底上的活性生长材料的小于50原子％、小于25原子％、小于10原子％、小于5原子％、小于2原子％或小于1原子％与基底相互作用。与基底相互作用的活性生长材料的百分比可以例如使用具有深度剖析的XPS来确定。任选地，XRD可以用于确定所测量材料的组成。
在一些情况下，相对于在不存在活性生长材料的情况下暴露于基本上相同的条件下的基底的电阻，从纳米结构生长过程的开始到结束，基底的电阻不改变大于100％、大于50％、大于25％、大于10％、大于5％或大于1％。在一些实施方案中，相对于在不存在活性生长材料的情况下暴露于基本上相同的条件下的基底的电阻，从纳米结构生长过程的开始到结束，基底的电阻没有降低大于50％、大于25％、大于10％、大于5％或大于1％。
在一些情况下，可以在形成纳米结构之后从基底上移除纳米结构。例如，移除动作可以包括将纳米结构直接从基底的表面转移至接收基底的表面。接收基底可以为例如聚合物材料或碳纤维材料。在一些情况下，接收基底包含聚合物材料，金属，或者含有Al2O3、SiO2、碳或聚合物材料的纤维。在一些情况下，接收基底包含含有Al2O3、SiO2、碳或聚合物材料的纤维。在一些实施方案中，接收基底为纤维织物。
纳米结构的移除可以包括向纳米结构和/或生长基底的表面施加机械工具、机械或超声振动、化学试剂、热或其他外部能量源。在一些情况下，例如，可以通过施加压缩气体来移除纳米结构。在一些情况下，可以将纳米结构移除(例如，分离)并且整体收集而不将纳米结构附接至接收基底，并且在从生长基底移除之后，纳米结构可以保持其原始或“生长的”方向和构造(例如，对齐的“森林(forest)”)。用于从基底移除纳米结构或用于将纳米结构从第一基底转移至第二基底的系统和方法描述于2007年5月18日提交的题为“Continuous Process for the Production of Nanostructures Including Nanotubes”的国际专利申请序列号PCT/US2007/011914中，其通过引用整体并入本文。
在一些实施方案中，可以在纳米结构生长之后从生长基底和/或纳米结构移除活性生长材料。活性生长材料移除可以以机械方式进行，例如，通过用机械工具处理以从表面(例如，基底)刮掉或磨掉活性生长材料。在一些情况下，可以通过用化学物质处理(例如，化学蚀刻)或热处理(例如，加热至使活性生长材料蒸发的温度)来移除第一活性生长材料。例如，在一些实施方案中，可以通过酸蚀刻(例如，HCl、HF等)移除活性生长材料，酸蚀刻可以例如选择性地溶解活性生长材料。例如，HF可以用于选择性地溶解氧化物。在一些实施方案中，可以通过用化学物质处理和用热处理的组合来移除第一活性生长材料(例如，可以在H2的存在下加热第一活性生长材料)。当采用加热来移除第一活性生长材料时，其可以通过将活性生长材料暴露于加热的环境和/或通过使用电子束加热活性生长材料来施加。
虽然以上主要详细描述了使用生长基底的纳米结构的生长，但本文所述的实施方案不限于此，并且在一些实施方案中，基于碳的纳米结构可以在不存在生长基底的情况下在活性生长材料上生长。例如，图1B包括系统200的示意图，在系统200中，活性生长材料106被置于选择以促进在不存在接触活性生长材料的基底的情况下的纳米结构生长的一组条件下。当活性生长材料暴露于所述生长条件时，纳米结构102可以由活性生长材料106生长。在一些实施方案中，活性生长材料或其前体可以悬浮在流体中。例如，活性生长材料或其前体可以悬浮在气体中(例如，雾化)，然后暴露于含碳前体材料，由其可以生长碳纳米管。在一些情况下，活性生长材料或其前体可以在纳米结构的形成期间悬浮在液体(例如，用作纳米结构前体材料的醇)中。在一些实施方案中，未负载的活性生长材料或其前体在包括其表面的每个点处接触气体或真空。应注意，尽管活性生长材料在图1B中被描绘为半球形，但是还考虑具有其他形状的活性生长材料，例如具有球形形状、多边形形状等的活性生长材料。
如上所述，某些实施方案涉及用于生长基于碳的纳米结构的系统和方法。如本文所使用的，术语“基于碳的纳米结构”是指具有芳族环的稠合网络的制品，其至少一个截面尺寸小于1微米，并且包含至少30质量％的碳。在一些实施方案中，基于碳的纳米结构可以包含至少40质量％、至少50质量％、至少60质量％、至少70质量％、至少80质量％、至少90质量％或至少95质量％的碳，或者更多的碳。术语“稠合网络”不包含例如其中两个苯环通过单键连接而没有稠合的联苯基。基于碳的纳米结构的实例包括碳纳米管(例如，单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管等)、碳纳米线、碳纳米纤维、碳纳米壳、石墨烯、富勒烯等。在一些实施方案中，基于碳的纳米结构包括中空碳纳米壳和/或纳米角。
在一些实施方案中，基于碳的纳米结构的至少一个截面尺寸可以小于500nm、小于250nm、小于100nm、小于75nm、小于50nm、小于25nm、小于10nm，或者在一些情况下小于1nm。在一些情况下，本文所述的基于碳的纳米结构的最大截面尺寸可以为小于1微米、小于500nm、小于250nm、小于100nm、小于75nm、小于50nm、小于25nm、小于10nm，或者在一些情况下小于1nm。
根据某些实施方案，基于碳的纳米结构是细长的基于碳的纳米结构。如本文所使用的，术语“细长的基于碳的纳米结构”是指纵横比大于或等于10的基于碳的纳米结构结构。在一些实施方案中，细长的纳米结构的纵横比可以大于或等于100、大于或等于1000、大于或等于10,000、或者更大。本领域技术人员将理解，给定结构的纵横比沿细长的纳米结构的纵轴测量，并且表示为纳米结构的纵轴的长度与纳米结构的最大横截面直径之比。
在一些实施方案中，本文所述的基于碳的纳米结构可以包括碳纳米管。如本文所使用的，术语“碳纳米管”以其在本领域中的普通含义给出，并且是指包含主要为主要包含碳原子的六元环(例如，六元芳族环)的稠合网络的基本上圆柱形的分子或纳米结构。在一些情况下，碳纳米管可以类似于形成无缝圆柱形结构的石墨片。在一些情况下，碳纳米管可以包括包含有细密纹理的(fine-grained)sp2片的壁。在某些实施方案中，碳纳米管可以具有湍层壁(turbostratic wall)。应理解，碳纳米管还可以包括除六元环之外的环或晶格结构。通常，碳纳米管的至少一端可以被封端，即具有弯曲的或非平面的芳族结构。碳纳米管可以具有纳米级的直径和大约毫米或大约十分之几微米的长度，导致纵横比大于100、1000、10,000、100,000、106、107、108、109或更大。碳纳米管的实例包括单壁碳纳米管(SWNT)、双壁碳纳米管(DWNT)、多壁碳纳米管(MWNT)(例如，同心碳纳米管)、其无机衍生物、其有机衍生物等。在一些实施方案中，碳纳米管是单壁碳纳米管。在一些情况下，碳纳米管是多壁碳纳米管(例如，双壁碳纳米管)。在一些情况下，碳纳米管包括内径宽于由传统催化剂或其他活性生长材料可实现的内径的多壁或单壁碳纳米管。在一些情况下，碳纳米管的直径可以小于1微米、小于500nm、小于250nm、小于100nm、小于50nm、小于25nm、小于10nm，或者在一些情况下小于1nm。
在某些实施方案中，根据某些实施方案生长的细长的基于碳的纳米结构可以具有相对低的迂曲度。不希望受任何特定理论的束缚，认为根据某些但不一定是所有的实施方案，使用本文所述的某些活性生长材料(任选地，与低温生长组合，以及任选地使用二氧化碳和/或炔烃的基于碳的纳米结构前体)可以导致生产出特别直的细长的基于碳的纳米结构。迂曲度(或τ)可以定义为基于碳的纳米结构的真实长度(Lcnt)与连接基于碳的纳米结构的一端与基于碳的纳米结构的另一端的线段的长度(H)之比；或者，τ＝Lcnt/H。在一些实施方案中，细长的基于碳的纳米结构的迂曲度可以小于或等于5、小于或等于4、小于或等于3、小于或等于2.5、小于或等于2.4、小于或等于2.3、小于或等于2.2、小于或等于2.1、小于或等于2、小于或等于1.9、小于或等于1.8、小于或等于1.7、小于小于或等于1.6、小于或等于1.5、小于或等于1.4、小于或等于1.3、小于或等于1.2、或者小于或等于1.1。其他范围也是可能的。例如，图3A示出了附接至活性生长材料106的高度弯曲的基于碳的纳米结构102；图3B示出了附接至活性生长材料106的中度弯曲的纳米结构102；以及图3C示出了附接至活性生长材料106的迂曲度恰好为1的完全直的纳米结构102。在图3A、3B和3C中，Lcnt由502表示，H由504表示。
在一些实施方案中，本文所述的系统和方法可以用于生产基本上对齐的纳米结构。基本上对齐的纳米结构可以具有足够的长度和/或直径以在布置在材料上或材料内时增强材料的特性。在一些实施方案中，该组基本上对齐的纳米结构可以形成在基底的表面上，并且纳米结构可以定向成使得纳米结构的长轴相对于基底的表面是基本上非平面的。在一些情况下，纳米结构的长轴沿相对于基底的表面基本上垂直的方向定向，形成纳米结构阵列或“森林”。根据一些实施方案，森林可以包括至少100个纳米结构、至少1000个纳米结构、至少104个纳米结构、至少105个纳米结构、至少106个纳米结构、至少107个纳米结构、至少108个纳米结构、或更多，例如，以并排结构布置。在一些实施方案中，即使在进行后续处理(例如，转移至其他表面和/或将森林与第二材料例如聚合物组合)时，纳米结构“森林”中的纳米结构排列也可以基本上保持。用于生产对齐的纳米结构的系统和方法以及包含对齐的纳米结构的制品描述于例如2007年5月18日提交的题为“Continuous Process forthe Production of Nanostructures Including Nanotubes”的国际专利申请序列号PCT/US2007/011914；以及2009年5月26日授权的题为“Nano-Engineered MaterialArchitectures:Ultra-Tough Hybrid Nanocomposite System”的美国专利第7,537,825号中，它们通过引用整体并入本文。
某些方面涉及包括基底、聚合物材料和基于碳的纳米结构的制品。如上所述，与本文描述的某些但不一定是所有的实施方案相关的一个优点是基于碳的纳米结构可以在在其他情况下与基于碳的纳米结构生长不相容的材料上生长。例如，根据某些实施方案，在相对低的温度下生长基于碳的纳米结构的能力可以允许在聚合物材料和/或其他温度敏感材料上生长基于碳的纳米结构而基本上不改变和/或破坏温度敏感材料。
在一组实施方案中，本发明的制品包括基底、至少部分地涂覆基底的聚合物材料、由基底负载的基于碳的纳米结构、和与基于碳的纳米结构相关的活性生长材料。这样的布置的一个实例示于例如图1D中。在图1D中，材料408(其可以是聚合物材料)至少部分地涂覆基底308。虽然基底308在图1D中示出为圆柱形的，但是基底可以具有各种其他合适的几何形状。在图1D中，活性生长材料106由材料408和基底308负载。此外，基于碳的纳米结构102示出为由材料408和基底308负载。
在一些实施方案中，活性生长材料可以在基于碳的纳米结构与聚合物材料之间。例如，参照图1D，活性生长材料106位于基于碳的纳米结构102与材料408之间。在一些实施方案中，基于碳的纳米结构可以在活性生长材料与聚合物材料之间。根据某些实施方案，基于碳的纳米结构和活性生长材料可以直接接触。
活性生长材料可以为以上或本文其他地方所述的任何活性生长材料，包括包含碱金属和碱土金属中的至少一者的活性生长材料。活性生长材料还可以具有以上或本文其他地方所述的任何形式。
制品的基底可以为本文其他地方所述的任何基底。在一些实施方案中，基底可以是相对温度敏感的。例如，如上所述，在一些实施方案中，基底(或复合基底的组分)在100％氮气气氛中在低于800℃的温度下(或者在以上或本文其他地方所述的任何其他温度范围内)经历相变或显著的质量损失。在某些实施方案中，如上所述，基底(或复合基底的组分)在100％氧气气氛中在低于650℃的温度下(或者在以上或本文其他地方所述的任何其他温度范围内)经历相变或显著的质量变化。在一些实施方案中，基底为细长的基底。例如，在一些实施方案中，基底包含纤维，例如碳纤维。在一些实施方案中，基底为经上浆的碳纤维。例如，参照图1D，基底308可以为碳纤维，并且材料408可以为至少部分地涂覆碳纤维的上浆材料。例如，可以制造浆料的材料的实例在上面关于经上浆的纤维进行了描述。
在一些实施方案中，聚合物材料覆盖基底的外表面的相对大的百分比。例如，在一些实施方案中，聚合物材料覆盖基底的外表面的至少50％、至少75％、至少90％、至少95％、至少99％或全部。参照图1D，例如，材料408覆盖基底308的外表面的100％。
根据某些实施方案，聚合物材料的厚度可以在下面的基底上相对一致。例如，在某些实施方案中，聚合物材料在基底被聚合物材料覆盖的表面区域的至少80％上的厚度偏离聚合物材料的平均厚度不超过50％、不超过40％、不超过30％、不超过20％、不超过10％或不超过5％。在一些实施方案中，聚合物材料在基底被聚合物材料覆盖的表面区域的至少90％(或至少95％、至少98％或至少99％)上的厚度偏离聚合物材料的平均厚度不超过50％、不超过40％、不超过30％、不超过20％、不超过10％或多于5％。这样的均匀性可以例如在某些经上浆的纤维(例如，某些经上浆的碳纤维)的上浆层中观察到。
根据某些实施方案，聚合物材料的平均厚度可以相对较薄。例如，根据某些实施方案，聚合物材料的平均厚度可以小于1微米、小于500nm、小于200nm、小于100nm、小于50nm或小于10nm(和/或，在某些实施方案中，小至1nm、小至0.1mm或更小)。
以下实施例旨在说明本发明的某些实施方案，但不是例示本发明的全部范围。
实施例1
在该实施例中，制备经退浆的碳纤维以用于基于碳的纳米结构生长。将经退浆的Tohotenax HTA40纤维用水清洗一次然后干燥(在50毫巴和120℃的真空下进行20分钟)。图4为原样的经退浆的Tohotenax HTA40纤维的SEM图像。
比较例2
该比较例示出了在低生长温度下由含铁活性生长材料进行的基于碳的纳米结构的生长的缺乏。如实施例1中地制备经退浆的碳纤维(CF)。制备异丙醇中的0.05M硝酸铁并搅拌60分钟，然后倒入培养皿中。将经退浆的CF浸入0.05M硝酸铁溶液中5分钟，然后取出并使其在环境温度下干燥3小时。
然后如下进行生长过程。将CF样品插入容纳在Lindberg/Blue M Minimite炉内的石英管的中心处。在即将开始生长过程之前，硝酸铁在CF样品上呈固体盐形式。首先在室温下以750sccm用氩气冲洗管2分钟。然后将气体流切换成400sccm的氢气和100sccm的氩气，同时将温度升至480℃。一旦达到该温度，关闭氢气和氩气二者，并使16.7sccm的CO2和167sccm的10％乙炔和90％氩气的混合物流过该管15分钟。然后，关闭所有气体和加热器，并以750sccm再次开启氩气，同时将炉冷却回室温。图5是在以上过程结束之后经退浆的CF基底的SEM图像，显示出没有基于碳的纳米结构生长。
实施例3
在该实施例中，证实了由通过经退浆的CF负载的氢氧化钠(NaOH)活性生长材料进行的碳纳米管的生长。如实施例1中地制备经退浆的CF。在去离子水中制备NaOH(SigmaAldrich试剂级)的0.18M溶液，并添加至培养皿中。将经退浆的CF浸入0.18M NaOH溶液中5分钟，然后取出并使其在环境温度下干燥3小时。
如比较例2中地进行生长过程。在即将开始生长过程之前，氢氧化钠在CF样品上呈固体盐形式。图6A和6B是示出在生长过程结束时的碳纳米管生长的SEM图像。图6C是在生长过程期间产生的碳纳米管的TEM图像。在400℃和390℃下也观察到碳纳米管生长。
实施例4
该实施例示出了由通过经上浆的CF负载的NaOH活性生长材料进行的碳纳米管的生长。如实施例1中地清洗和干燥Hexcel AS4经上浆的CF。在去离子水中制备NaOH(SigmaAldrich试剂级)的0.18M溶液，并添加至培养皿中。将经上浆的CF浸入0.18M NaOH溶液中5分钟，然后取出并使其在环境温度下干燥3小时。
如比较例2中地进行生长过程。在即将开始生长过程之前，氢氧化钠在CF样品上呈固体盐形式。图7是示出在生长过程期间产生的碳纳米管的SEM图像。在400℃下也观察到碳纳米管生长。
实施例5
在该实施例中，示出了由通过经退浆的CF基底负载的碳酸钠(Na2CO3)活性生长材料进行的碳纳米管的生长。经退浆的CF基底为Tohotenax HTA40纤维。如实施例1中地制备经退浆的CF。在去离子水中制备Na2CO3(VWR试剂级)的0.09M溶液，并添加至培养皿中。将经退浆的CF浸入0.09M Na2CO3溶液中5分钟，然后取出并使其在环境温度下干燥3小时。
如比较例2中地进行生长过程。在即将开始生长过程之前，碳酸钠在CF样品上呈固体盐形式。图8是示出在生长过程期间产生的碳纳米管的SEM图像。
实施例6
在该实施例中，证实了由通过经退浆的CF基底负载的碳酸氢钠(NaHCO3)活性生长材料进行的碳纳米管的生长。经退浆的CF基底为Tohotenax HTA40纤维。如实施例1中地制备经退浆的CF。在去离子水中制备NaHCO3(VWR试剂级)的0.18M溶液，并添加至培养皿中。将经退浆的CF浸入0.18M NaHCO3溶液中5分钟，然后取出并使其在环境温度下干燥3小时。
如比较例2中地进行生长过程。在即将开始生长过程之前，碳酸氢钠在CF样品上呈固体盐形式。图9是示出在生长过程期间产生的碳纳米管的SEM图像。
实施例7
该实施例证实了由通过氧化铝纤维基底负载的NaOH活性生长材料进行的碳纳米管的生长。使用氧化铝纤维(Cotronics Corporation ULTRA TEMP 391)原样作为基底。在去离子水中制备NaOH(Sigma Aldrich试剂级)的0.18M溶液，并添加至培养皿中。将氧化铝纤维浸入0.18M NaOH溶液中5分钟，然后取出并使其在环境温度下干燥3小时。
如比较例2中地进行生长过程。在即将开始生长过程之前，氢氧化钠在氧化铝纤维基底上呈固体盐形式。图10是示出在生长过程期间产生的碳纳米管的SEM图像。在400℃下也观察到碳纳米管生长。
实施例8
该实施例示出了由通过聚电解质基底负载的NaOH活性生长材料进行的基于碳的纳米结构的生长。通过将1.4g聚(苯乙烯-交替-马来酸)(PSMA)(Sigma Aldrich试剂级)溶解在25mL丙酮中并将该溶液与0.18M NaOH(如实施例3中地制备)混合来制备基底。将该PSMA和NaOH溶液滴铸到玻璃板(VWR显微镜载玻片)上。
如比较例2中地进行生长过程。在即将开始生长过程之前，氢氧化钠在基底上呈固体盐形式。图11A至11F是示出在生长过程期间产生的碳纳米管的SEM图像。在400℃下也观察到碳纳米管生长。
实施例9
在该实施例中，证实了由通过聚电解质基底负载的碳酸钾(K2CO3)活性生长材料进行的基于碳的纳米结构生长。通过将1.4g PSMA溶解在25mL丙酮中并将该溶液与水中的0.038M K2CO3混合来制备基底。将该PSMA和K2CO3溶液滴铸到玻璃板(VWR显微镜载玻片)上，并使其在室压和室温下干燥。
如比较例2中地进行生长过程。在即将开始生长过程之前，碳酸钾在基底上呈固体盐形式。图12A至12F是示出在生长过程期间产生的碳纳米管的SEM图像。在400℃下也观察到碳纳米管生长。
实施例10
在该实施例中，示出了由通过钛基底负载的Na2CO3活性生长材料进行的基于碳的纳米结构生长。用500粒度(grit)砂纸打磨钛片(McMaster-Carr 9051K67Grade 2)，用去离子水清洗，并在环境条件下干燥。将0.18M Na2CO3水溶液滴铸到钛片上，并使其在室压和室温下干燥。
如比较例2中地进行生长过程。在即将开始生长过程之前，Na2CO3在基底上呈固体盐形式。图13A至13E是示出在生长过程期间产生的碳纳米管的SEM图像。在400℃下也观察到碳纳米管生长。
实施例11
该实施例示出了由通过钛基底负载的NaHCO3活性生长材料进行的基于碳的纳米结构生长。用500粒度砂纸打磨钛片(McMaster-Carr9051K67Grade 2)，用去离子水清洗，并在环境条件下干燥。将0.18MNaHCO3水溶液滴铸到钛片上，并使其在室压和室温下干燥。
如比较例2中地进行生长过程。在即将开始生长过程之前，NaHCO3在基底上呈固体盐形式。图14A至14F是示出在生长过程期间产生的碳纳米管的SEM图像。
实施例12
该实施例证实了由通过钛基底负载的NaOH活性生长材料进行的基于碳的纳米结构生长。用500粒度砂纸打磨钛片(McMaster-Carr 9051K67Grade 2)，用去离子水清洗，并在环境条件下干燥。制备0.18M NaOH甲醇溶液，并使其在1小时的过程内完全溶解。然后将该NaOH溶液滴铸到钛片上，并使其在室压和室温下干燥。
如比较例2中地进行生长过程。在即将开始生长过程之前，NaOH在基底上呈固体盐形式。图15A至15F是示出在生长过程期间产生的碳纳米管的SEM图像。在400℃下也观察到碳纳米管生长。
实施例13
该实施例示出了由通过钛基底负载的NaOH活性生长材料进行的基于碳的纳米结构生长。用500粒度砂纸打磨钛片(McMaster-Carr 9051K67Grade 2)，用去离子水清洗，并在环境条件下干燥。制备0.18M NaOH甲醇溶液，并使其在1小时的过程内完全溶解。然后将该NaOH溶液旋涂到钛片上，并使其在室压和室温下干燥。
如比较例2中地进行生长过程。在即将开始生长过程之前，NaOH在基底上呈固体盐形式。图16A至16D是示出在生长过程期间产生的碳纳米管的SEM图像。在400℃下也观察到碳纳米管生长。
实施例14
该实施例描述了由常见的家用的基于Na的化合物(包括分别在小苏打、清洁剂和食盐中发现的NaHCO3、Na2CO3、NaOH和NaCl)进行的碳纳米结构(CNS)例如CNT的低温合成的进一步证实。与裂解乙炔的降温氧化脱氢反应结合，Na金属纳米颗粒在低于400℃的温度下催化生长。利用非原位和原位透射电子显微镜来表征在生长期间CNS和Na催化剂颗粒的空间组成。观察到独特的CNS形态和生长现象，包括消失的催化剂现象，即没有残留催化剂颗粒的CNT，其可以用于其中金属催化剂被认为是污染物的应用。
在该实施例中，发现多种常见的家用物品在CNT的高产率合成中是有效的。基于钠的化合物特别地(例如食盐、小苏打、洗涤碱和碱液)允许在碳纤维上产生CNT的保形涂层。通过将半导体级NaOH溶解在水中制备具有以下浓度的催化剂水溶液：0.18M、0.018M和0.0018M。还在甲醇中制备具有相同浓度的NaOH溶液。同样，对于Na2CO3、NaHCO3和NaCl，制备具有相等浓度的水溶液。在溶液形成之后，将这些溶液浸涂或滴铸到基底上五分钟。使基底在环境条件下干燥，然后经历低温热化学气相沉积过程，在该过程中在温度升至480℃期间用氢气冲洗通过样品。随后使1:1比率的CO2和C2H2气体混合物流过管，通过氧化脱氢反应而产生碳沉积。对于每次生长尝试，对纤维拍摄扫描电子显微照片(SEM)，其示出了在每根纤维周围的碳纳米管的保形涂层，如图17中所看到的。另外，对纳米结构进行透射电子显微镜以及电子能量损失光谱以确定基于碳的管的形态。为了测试由污染物引起的生长，使经NaOH浸涂的纤维样品在CVD炉内经历初始还原步骤，并在停止后立即引入碳气体。然后将这些样品在SEM中在能量色散X射线光谱(EDS)映射下分析，证实形成的催化剂颗粒包含大量的Na和O而不包含常见的过渡金属催化剂(没有观察到镍、铁和钴)。如图18所示，其他基底也被成功地使用(同时利用钠以催化CNT生长)。织物系统例如氧化铝纤维以及未上浆的和经聚合物上浆(涂覆)的碳纤维均产生CNT生长。钠还有效地促进CNT在平坦基底(包括但不限于氮化硅TEM栅格、硅晶片芯片和钛片)上的生长。对于这些过程中的每一种，滴铸/旋涂0.18M NaOH甲醇溶液以允许实现均匀沉积。对每个样品进行TEM以确定碳纳米结构的管状形态。
另外，生长温度也在390℃至820℃中变化，同时保持所有其他处理不变，例如15分钟的生长持续时间。如图19所示，在更高温度下观察到CNT更长并且表现出更卷曲的结构。还观察到CNT具有其他形态，例如缺乏催化剂颗粒的开端形态和半填充的中空形态。
在一组实验中，改变C2H2与CO2的比率。如图20所示，降低C2H2浓度和增加CO2浓度导致形成具有较低迂曲度的CNT。
在CNT生长15分钟之后，广泛的TEM和能量色散X射线光谱(EDS)显示出没有附接至管的底部或尖端的透明颗粒(参见图21)。跨越管全长的扫描也显示出没有污染物颗粒例如铁或镍。另外，没有发现直接附接至管的钠颗粒。相反，扫描透射电子显微镜显示在CNT的内壁上有略微更亮的区域。与相邻外壁相比衬里的小区域EDS扫描显示更高浓度的钠存在于管的内部上，并且显示出钠残留物衬在CNT内部。在一些情况下，靠近管壁没有观察到尖锐的Na尖峰。
为了更好地找到用于通过非原位实验表征的钠催化剂颗粒，对于不同的生长持续时间，在经NaOH滴铸的氮化硅TEM栅格上进行CVD。仅用氢还原(并且没有暴露于CO2和C2H2)的样品导致形成基于钠的纳米颗粒。观察到这些颗粒具有强的电子束相互作用，经常在成像几分钟之后消失。同时，将样品暴露于CO2和C2H2 15分钟导致没有颗粒附接的管(图21)。然而，在1.9分钟和3.8分钟的短时间就终止的生长显示在新成核的管的底部存在透明颗粒。对这些颗粒的EDS扫描显示出大浓度的钠。另外，这些颗粒在较长的束成像时消失。在管的内部也可以发现一些扇形物(scalloping)。
使用环境透射电子显微镜(ETEM)进行原位TEM。在ETEM实验期间，将经NaOH滴铸的氮化硅TEM栅格加热至480℃并用以下气体原料流动：在从25℃至480℃的5分钟升温期间0.4sccm H2，然后在480℃下0.1sccm CO2和0.1sccm C2H2保持30分钟。然后，在不存在任何气体流的情况下将样品冷却至室温。注意实现尽可能接近与管式炉匹配的过程。在进行实时成像和表征时成功地实现了碳纳米结构的生长。在ETEM室中生长的结构主要是实心的，并且包含围绕碳酸钠内部的碳壁的芯-壳结构。然而，当对整个结构进行电子能量损失光谱(EELS)线扫描时，观察到清晰的芯壳结构：在结构外部检测到高强度的碳壁，填充有具有大量钠以及碳酸盐氧和碳的芯。虽然是实心的，但这些结构与在具有钠内壁残留物的非原位结果中发现的中空CNT密切相关。
在ETEM内形成的实心碳纳米结构的进一步成像产生了先前未观察到的现象，如图22所示。纳米结构的富钠芯开始从管的尖端消耗并沿着管的长度朝向底部下降。随后，在较长的束暴露下，管的底部处附接的钠颗粒也消失并上升到达第一个消耗前沿以使结构中空，形成实际上与非原位实验中观察到的CNT相同的CNT。此外，初步工作还表明，具有类似化学反应性的碱金属例如钾可以在类似的CVD环境中催化CNT的生长。
虽然本文已经描述和说明了本发明的数个实施方案，但是本领域普通技术人员将容易想到用于执行功能和/或获得结果和/或一个或更多个本文所述优点的各种其他手段和/或结构，并且这些变化和/或修改中的每一个都被认为是在本发明的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易理解，本文描述的所有参数、尺寸、材料和配置是旨在为示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或配置将取决于使用本发明的教导的一个或更多个具体应用。本领域技术人员将认识到或仅使用常规实验就能够确定本文所述的本发明的具体实施方案的许多等同方案。因此，应理解，前述实施方案仅以实例的方式呈现，并且在所附权利要求及其等同方案的范围内，本发明可以不同于具体描述和要求保护的方式实施。本发明涉及本文所述的每个单独的特征、系统、物品、材料和/或方法。此外，如果这样的特征、系统、制品、材料和/或方法没有相互矛盾，则两个或更多个这样的特征、系统、制品、材料和/或方法的任何组合都包括在本发明的范围内。
除非明确地指出相反，否则如本文在说明书和权利要求书中使用的未用数量词限定的名词应理解为意指“至少一个”。
如本文在说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应理解为意指如此连接的要素中的“之一或两者”，即在一些情况下要素联合存在，而在另一些情况下要素分别存在。除非明确地指出相反，否则可以任选地存在除了通过“和/或”连词明确指出的要素之外的其他要素，无论其与明确指出的那些要素相关或不相关。因此，作为非限制性实例，当与开放式语言例如“包括”结合使用时，提及“A和/或B”在一个实施方案中可以是指A而没有B(任选地包括除B之外的要素)；在另一个实施方案中可以是指B而没有A(任选地包括除A之外的要素)；在又一个实施方案中可以是指A和B两者(任选地包括其他要素)；等等。
如本文在说明书和权利要求书中使用的“或”应理解为具有与以上所限定的“和/或”相同的含义。例如，当分离列表中的项目时，“或”或“和/或”应当被解释为包含性的，即，包含多个要素或要素列表的至少一个，但也包含多于一个，并且任选地包含另外的未列出的项目。只有明确指出相反的术语，例如“仅一个”或“恰好一个”，或者当在权利要求中使用时的“由……组成”，是指包含多个要素或要素列表中的恰好一个要素。一般地，在当跟随排他性术语(例如“任一”、“之一”、“仅一个”或“恰好一个”)时，如本文所使用的术语“或”应当仅理解为表明排他性替代方案(即，“一个或另一个，但不是二者”)。在权利要求中使用时，“基本上由……组成”应当具有其在专利法领域中使用的普通含义。
如本文在说明书和权利要求书中使用的，在提及一个或更多个要素的列表时，短语“至少一个”应理解为意指选自要素列表中的任一个或更多个要素中的至少一个要素，但不一定包括要素列表中明确列出的各个和每个要素中的至少一个，并且不排除要素列表中要素的任意组合。该定义还允许可以任选地存在除了在短语“至少一个”提及的要素列表中明确指出的要素之外的要素，无论其与那些明确指出的要素相关或不相关。因此，作为一个非限制性实例，“A和B中的至少一个”(或等同地，“A或B中的至少一个”，或等同地“A和/或B中的至少一个”)在一个实施方案中可以是指至少一个A，任选地包括多于一个A，但不存在B(并且任选地包括除B之外的要素)；在另一个实施方案中可以是指至少一个B，任选地包括多于一个B，但不存在A(并且任选地包括除A之外的要素)；在又一个实施方案中可以是指至少一个A，任选地包括多于一个A，以及至少一个B，任选地包括多于一个B(并且任选地包括其他要素)；等等。
在权利要求中以及在以上说明书中，所有过渡性短语例如“包括”、“包含”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“持有”等均应被理解为开放式的，即意指包括但不限于。只有过渡性短语“由……组成”和“基本上由……组成”应当分别是封闭式或半封闭式过渡性短语，如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节所阐述的。

Claims (45)

1.一种生长基于碳的纳米结构的方法，包括：
将所述基于碳的纳米结构的前体暴露于包含碱金属和碱土金属中的至少一者的活性生长材料，以由所述基于碳的纳米结构的所述前体生长所述基于碳的纳米结构，其中：
所述活性生长材料在所述基于碳的纳米结构的生长期间处于小于或等于500℃的温度下；以及
所述活性生长材料不包含铁或者包含的铁的量使得所述活性生长材料中铁的原子数与所述活性生长材料中任何碱金属和任何碱土金属的原子总数之比小于或等于3.5。
2.一种生长基于碳的纳米结构的方法，包括：
将所述基于碳的纳米结构的前体暴露于包含碱金属和碱土金属中的至少一者的活性生长材料，以由所述基于碳的纳米结构的所述前体生长所述基于碳的纳米结构，其中所述活性生长材料在所述基于碳的纳米结构的生长期间处于小于或等于475℃的温度下。
3.一种生长基于碳的纳米结构的方法，包括将所述基于碳的纳米结构的前体暴露于包含碱金属和碱土金属中的至少一者的活性生长材料，以由所述基于碳的纳米结构的前体生长所述基于碳的纳米结构。
4.一种生长基于碳的纳米结构的方法，包括：
将所述基于碳的纳米结构的前体暴露于包含碱金属和碱土金属中的至少一者的活性生长材料，以由所述基于碳的纳米结构的前体生长所述基于碳的纳米结构，其中所述基于碳的纳米结构的前体包含二氧化碳和炔烃两者。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述活性生长材料包含碱土金属。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述活性生长材料包含碱金属。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述活性生长材料包含钠和钾中的至少一者。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中所述活性生长材料或其前体包含碱土金属的氢氧化物盐和碱金属的氢氧化物盐中的至少一者。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述活性生长材料或其前体包含碱土金属的碳酸盐和碱金属的碳酸盐中的至少一者。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中所述活性生长材料或其前体包含碱土金属的碳酸氢盐和碱金属的碳酸氢盐中的至少一者。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中所述碱金属和/或所述碱土金属是盐的阳离子。
12.根据权利要求11所述的方法，其中碱金属和/或所述碱土金属阳离子与分子量小于或等于1000道尔顿的阴离子离子结合。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中所生长的所述基于碳的纳米结构的至少50％直接接触所述至少一种碱金属和碱土金属。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中所述基于碳的纳米结构的至少50％的生长通过所述至少一种碱金属和碱土金属来活化。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中所述活性生长材料由基底负载，所述基底在100％氮气气氛中在低于800℃的温度下经历相变或显著的质量损失。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其中所述活性生长材料由基底负载，所述基底在100％氧气气氛中在低于650℃的温度下经历相变或显著的质量变化。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，其中所述活性生长材料负载在聚合物基底上。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法，其中所述活性生长材料负载在碳纤维、玻璃纤维和氧化铝纤维中的一者或更多者上。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，其中所述活性生长材料负载在经上浆的碳纤维上。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的方法，其中所述活性生长材料负载在预浸料、丝束和织物中的至少一者上。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的方法，其中所述基于碳的纳米结构的前体包含乙炔。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的方法，其中所述基于碳的纳米结构的前体包含二氧化碳。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的方法，其中所述前体包含烃和醇中的至少一者。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的方法，其中所述前体在并入所述基于碳的纳米结构中之前存在于气相中。
25.根据权利要求1至24中任一项所述的方法，其中所述基于碳的纳米结构是细长的基于碳的纳米结构。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述细长的基于碳的纳米结构的迂曲度小于3。
27.根据权利要求1至26中任一项所述的方法，其中所述基于碳的纳米结构包括碳纳米管、碳纳米纤维和碳纳米线中的至少一者。
28.根据权利要求1至27中任一项所述的方法，其中所述活性生长材料在所述基于碳的纳米结构的生长期间处于小于或等于500℃的温度下。
29.根据权利要求1至28中任一项所述的方法，其中所述活性生长材料不包含铁或者包含的铁的量使得所述活性生长材料中铁的原子数与所述活性生长材料中任何碱金属和任何碱土金属的原子总数之比小于或等于3.5。
30.根据权利要求1至29中任一项所述的方法，其中所述活性生长材料在所述基于碳的纳米结构的生长期间处于小于或等于475℃的温度下。
31.根据权利要求1至30中任一项所述的方法，其中所述基于碳的纳米结构的前体包含二氧化碳和炔烃两者。
32.一种制品，包括：
基底；
至少部分地涂覆所述基底的聚合物材料；
由所述基底负载的基于碳的纳米结构；和
与所述基于碳的纳米结构相关的活性生长材料。
33.一种制品，包括：
基底；
由所述基底负载的多个细长的基于碳的纳米结构，所述细长的基于碳的纳米结构的迂曲度小于或等于5；和
与所述基于碳的纳米结构相关的活性生长材料。
34.根据权利要求32至33中任一项所述的制品，其中所述活性生长材料包含碱金属和碱土金属中的至少一者。
35.根据权利要求32至34中任一项所述的制品，其中所述基底在100％氮气气氛中在低于800℃的温度下经历相变或显著的质量损失。
36.根据权利要求32至35中任一项所述的制品，其中所述基底在100％氧气气氛中在低于650℃的温度下经历相变或显著的质量变化。
37.根据权利要求32至36中任一项所述的制品，其中所述基底包含聚合物。
38.根据权利要求32至37中任一项所述的制品，其中所述基底是细长的基底。
39.根据权利要求32至38中任一项所述的制品，其中所述基底包含纤维。
40.根据权利要求32至39中任一项所述的制品，其中所述基底包含碳纤维。
41.根据权利要求40所述的制品，其中所述碳纤维是经上浆的碳纤维。
42.根据权利要求32至41中任一项所述的制品，其中所述聚合物材料覆盖所述基底的外表面的至少50％。
43.根据权利要求32至42中任一项所述的制品，其中，在所述基底的被所述聚合物材料覆盖的表面区域的至少80％上，所述聚合物材料的厚度偏离所述聚合物材料的平均厚度不超过50％。
44.根据权利要求32至43中任一项所述的制品，还包括至少部分地涂覆所述基底的聚合物材料。
45.根据权利要求32至44中任一项所述的制品，其中所述基于碳的纳米结构是迂曲度小于或等于5的细长的基于碳的纳米结构。
CN201780021130.5A 2016-03-30 2017-03-30 使用包含碱金属和/或碱土金属的活性生长材料生长基于碳的纳米结构 Pending CN108883936A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201662315508P 2016-03-30 2016-03-30
US62/315,508 2016-03-30
PCT/US2017/024928 WO2017173032A1 (en) 2016-03-30 2017-03-30 Growth of carbon-based nanostructures using active growth materials comprising alkali metals and/or alkaline earth metals

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN108883936A true CN108883936A (zh) 2018-11-23

Family

ID=59966406

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780021130.5A Pending CN108883936A (zh) 2016-03-30 2017-03-30 使用包含碱金属和/或碱土金属的活性生长材料生长基于碳的纳米结构

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10988382B2 (zh)
EP (1) EP3436402A4 (zh)
CN (1) CN108883936A (zh)
WO (1) WO2017173032A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112499619A (zh) * 2020-11-30 2021-03-16 青岛恒能达能源科技有限公司 一种碳基无粘结剂复合材料及其制备方法和应用

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10988382B2 (en) 2016-03-30 2021-04-27 Massachusetts Institute Of Technology Growth of carbon-based nanostructures using active growth materials comprising alkali metals and/or alkaline earth metals
WO2018231925A1 (en) * 2017-06-13 2018-12-20 Massachusetts Institute Of Technology Systhesis of carbon-based nanostructures using eutectic compositions
WO2019118706A1 (en) 2017-12-13 2019-06-20 Analog Devices, Inc. Structural electronics wireless sensor nodes
CN108485181A (zh) * 2018-03-21 2018-09-04 苏州宏久航空防热材料科技有限公司 一种碳化硅-聚醚醚酮为基体的纤维增强复合材料及其制备方法
CN109626362A (zh) * 2019-01-08 2019-04-16 新奥石墨烯技术有限公司 多孔石墨烯材料及其制备方法和超级电容器
CN111003704B (zh) * 2019-12-20 2021-11-30 上海昱瓴新能源科技有限公司 一种三维石墨烯锂离子电池超快充负极材料的制备方法及应用

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110162957A1 (en) * 2009-11-25 2011-07-07 Massachusetts Institute Of Technology Systems and methods for enhancing growth of carbon-based nanostructures
CN102574688A (zh) * 2009-07-31 2012-07-11 麻省理工学院 涉及形成碳基纳米管的系统和方法

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2810636A (en) 1956-06-04 1957-10-22 Dow Chemical Co Method for producing sodium
US7537825B1 (en) 2005-03-25 2009-05-26 Massachusetts Institute Of Technology Nano-engineered material architectures: ultra-tough hybrid nanocomposite system
EP2024283A2 (en) 2006-05-19 2009-02-18 Massachusetts Institute of Technology Continuous process for the production of nanostructures including nanotubes
US8337979B2 (en) 2006-05-19 2012-12-25 Massachusetts Institute Of Technology Nanostructure-reinforced composite articles and methods
WO2010093703A1 (en) 2009-02-10 2010-08-19 Applied Nanotech Holdings, Inc. Electrochromic device
WO2012091789A1 (en) 2010-10-28 2012-07-05 Massachusetts Institute Of Technology Carbon-based nanostructure formation using large scale active growth structures
JP5871213B2 (ja) * 2010-12-21 2016-03-01 日本電気株式会社 グラフェン基板の製造方法およびグラフェン基板
KR20120116232A (ko) 2011-04-12 2012-10-22 전북대학교산학협력단 탄소나노튜브 합성용 금속촉매 제조방법 및 이를 이용한 탄소나노튜브 제조방법
US20130072077A1 (en) * 2011-09-21 2013-03-21 Massachusetts Institute Of Technology Systems and methods for growth of nanostructures on substrates, including substrates comprising fibers
CN102502584A (zh) 2011-11-01 2012-06-20 南京大学 可控合成碳纳米纤维、碳纳米管和碳纳米螺旋的方法
FR2982853B1 (fr) * 2011-11-22 2018-01-12 Ecole Polytechnique Procede de fabrication de film de graphene
AU2013231930B2 (en) 2012-03-15 2017-05-25 King Fahd University Of Petroleum & Minerals Graphene based filter
KR101446116B1 (ko) * 2012-09-18 2014-10-06 한화케미칼 주식회사 탄소나노튜브 제조용 금속촉매의 제조방법 및 이를 이용한 탄소나노튜브의 제조방법
CN104891472A (zh) 2015-05-11 2015-09-09 南昌大学 一种直线型碳纳米管的合成方法
US10988382B2 (en) 2016-03-30 2021-04-27 Massachusetts Institute Of Technology Growth of carbon-based nanostructures using active growth materials comprising alkali metals and/or alkaline earth metals

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102574688A (zh) * 2009-07-31 2012-07-11 麻省理工学院 涉及形成碳基纳米管的系统和方法
US20110162957A1 (en) * 2009-11-25 2011-07-07 Massachusetts Institute Of Technology Systems and methods for enhancing growth of carbon-based nanostructures

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ARNAUD MAGREZ ET AL.: "Catalytic CVD Synthesis of Carbon Nanotubes: Towards High Yield and Low Temperature Growth", 《MATERIALS》 *
JIANLE XU ET AL.: "Fabrication, characterization, purification and photoluminescence properties of carbon nanomaterials over water-soluble alkali salts", 《MATERIALS RESEARCH BULLETIN》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112499619A (zh) * 2020-11-30 2021-03-16 青岛恒能达能源科技有限公司 一种碳基无粘结剂复合材料及其制备方法和应用
WO2022110581A1 (zh) * 2020-11-30 2022-06-02 青岛恒能达能源科技有限公司 一种碳基复合材料及其制备方法和应用

Also Published As

Publication number Publication date
EP3436402A1 (en) 2019-02-06
US10988382B2 (en) 2021-04-27
WO2017173032A1 (en) 2017-10-05
EP3436402A4 (en) 2020-03-18
US20200299135A1 (en) 2020-09-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108883936A (zh) 使用包含碱金属和/或碱土金属的活性生长材料生长基于碳的纳米结构
US7157068B2 (en) Varied morphology carbon nanotubes and method for their manufacture
Hashempour et al. Direct growth of MWCNTs on 316 stainless steel by chemical vapor deposition: Effect of surface nano-features on CNT growth and structure
Ren et al. Aligned carbon nanotubes: physics, concepts, fabrication and devices
Kondo et al. Self-organization of novel carbon composite structure: graphene multi-layers combined perpendicularly with aligned carbon nanotubes
Kumar et al. Chemical vapor deposition of carbon nanotubes: a review on growth mechanism and mass production
RU2437832C2 (ru) Углеродные нанотрубки, функционализированные фуллеренами
US6558645B2 (en) Method for manufacturing carbon nanocoils
US8114518B2 (en) Single-walled carbon nanotube and aligned single-walled carbon nanotube bulk structure, and their production process, production apparatus and application use
Ci et al. Direct growth of carbon nanotubes on the surface of ceramic fibers
Chen et al. Electroless deposition of Ni nanoparticles on carbon nanotubes with the aid of supercritical CO2 fluid and a synergistic hydrogen storage property of the composite
Sharma et al. Analysis on the synthesis of vertically aligned carbon nanotubes: growth mechanism and techniques
Guerra-Nuñez et al. Morphology and crystallinity control of ultrathin TiO 2 layers deposited on carbon nanotubes by temperature-step atomic layer deposition
JP2013500922A (ja) 炭素系ナノ構造の形成に関するシステムおよび方法
JP2013536796A (ja) カーボンナノチューブが表面に成長する金属基材及びその製造プロセス
US8758715B2 (en) Porous wall hollow glass microspheres as a medium or substrate for storage and formation of novel materials
JP2010503595A (ja) カーボンナノチューブの製造方法
JP4020410B2 (ja) 炭素物質製造用触媒
CN106191805A (zh) 一种磁性石墨烯复合薄膜的制备方法
Yuan et al. Temporally and spatially controlled silicification for self-generating polymer@ silica hybrid nanotube on substrates with tunable film nanostructure
KR101679693B1 (ko) 탄소나노튜브 제조방법 및 하이브리드 탄소나노튜브 복합체
US11578404B2 (en) Synthesis of carbon-based nanostructures using eutectic compositions
KR20160042676A (ko) 끝단이 날카로운 탄소나노섬유 및 팔라듐 촉매를 이용한 탄소나노섬유의 성장방법
Ma et al. One-Dimensional Carbon Nanostructures: Low-Temperature Chemical Vapor Synthesis and Applications
Suda Chemical Vapor Deposition of Helical Carbon Nanofibers

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20181123

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication