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Tracing the Active Phase and Dynamics for Carbon Nanofiber Growth on Nickel Catalyst Using Environmental Transmission Electron Microscopy

碳纳米纤维 材料科学 碳纤维 透射电子显微镜 化学工程 相(物质) 催化作用 碳化物 复合材料 化学 纳米技术 冶金 碳纳米管 有机化学 复合数 工程类
作者
Yiqiang Lyu,Peng Wang,Dongdong Liu,Fan Zhang,Thomas P. Senftle,Guanghui Zhang,Zhenyu Zhang,Jianmei Wang,Wei Liu
出处
期刊:Small methods [Wiley]
卷期号:6 (6) 被引量:25
标识
DOI:10.1002/smtd.202200235
摘要

Benefitting from outstanding ability of CC reforming and hydrogen activation, nickel is widely applied for heterogeneous catalysis or producing high-quality carbon structures. This high activity simultaneously induces uncontrollable carbon formation, known as coking. However, the activity origin for growing carbon species remains in debate between the on metallic facets induction and nickel carbide segregation. Herein, carbon growth on Ni catalyst is tracked via in situ microscopy methods. Evidence derived from high-resolution transmission electron microscopy imaging, diffraction, and energy loss spectroscopy unambiguously identifies Ni3 C as the active phase, as opposed to metallic Ni nickel or surface carbides as traditionally believed. Specifically, Ni3 C particle grows carbon nanofibers (CNF) layer-by-layer through synchronized oscillation of tip stretch and atomic step fluctuations. There is an anisotropic stress distribution in Ni3 C that provides the lifting force during nanofiber growth. Density functional theory computations show that it is thermodynamically favorable for Ni3 C to decompose into Ni and surface-adsorbed carbon. Carbonaceous deposits aggregate asymmetrically round the particle because partial surface is exposed to the hydrocarbon environment whereas the bottom side is shielded by the support. This induces a carbon concentration gradient within the particle, which drives C migration through Ni3 C phase before it exits as CNF growth.
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