(Phys.org) — I nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) sono ampiamente studiati per le loro potenziali applicazioni in molte aree; Per esempio, come materiali per elettrodi per l'accumulo di energia, come pellicole conduttive trasparenti, e come materiali nanocompositi con nuove proprietà. Ma tutte queste applicazioni richiedono che gli SWCNT abbiano una purezza molto elevata, poiché le impurità metalliche hanno effetti negativi sulle proprietà dei nanotubi. Finora, preparare SWCNT con pochissime impurità metalliche è stato impegnativo.

In un nuovo articolo pubblicato su Materiali funzionali avanzati , I professori Qiang Zhang e Fei Wei presso il Beijing Key Laboratory of Green Chemical Reaction Engineering and Technology presso l'Università Tsinghua di Pechino, Cina, insieme ai loro coautori, hanno dimostrato un metodo per preparare SWCNT con un contenuto di carbonio del 99,5% in peso su catalizzatori in polvere, che è una delle più alte purezze fino ad oggi.

Generalmente, quando gli SWCNT vengono cresciuti per la prima volta su catalizzatori supportati da nanoparticelle metalliche, la loro purezza del carbonio è solitamente intorno al 90% in peso. I ricercatori possono migliorare la purezza utilizzando nuovi metodi di crescita sintetici per ottenere un controllo preciso sul processo di crescita e limitare la crescita delle impurità metalliche. Una seconda opzione è provare a rimuovere alcune delle impurità metalliche dopo la crescita di SWCNT, ma questi metodi spesso distruggono alcuni dei nanotubi nel processo.

Nella maggior parte delle ricerche precedenti, gli SWCNT sono caratterizzati prima e dopo i processi di crescita e purificazione, ma pochissimi studi monitorano ciò che accade durante questi processi.

In questo studio, gli scienziati hanno utilizzato un reattore termogravimetrico collegato a uno spettrometro di massa per sul posto monitoraggio del tasso di crescita di SWCNT cresciuti su catalizzatori metallici per 30 minuti. I dati hanno mostrato che il tasso di crescita aumenta rapidamente durante i primi 27 secondi, poi rallenta ed è quasi terminato a circa 2 minuti. Dopo di che, la massa aumenta solo molto gradualmente.

Questo monitoraggio rivela che gli SWCNT hanno effettivamente finito di crescere a 2 minuti, e quindi le impurità metalliche continuano a crescere a scapito della purezza SWCNT. Riducendo la durata della crescita da 30 a 2 minuti, gli scienziati hanno dimostrato di poter migliorare la purezza degli SWCNT dal 90,4 al 98,5% in peso.

Sotto la guida di sul posto monitoraggio, gli scienziati potrebbero migliorare ulteriormente la purezza utilizzando una tecnica di post-crescita. Hanno mostrato che CO ₂ l'ossidazione a una temperatura specifica (850 °C) potrebbe rimuovere efficacemente le nanoparticelle metalliche mentre gli SWCNT vengono preservati. Di conseguenza, pochissimi nanotubi di carbonio vengono distrutti con questo metodo, mentre la purezza sale al 99,5% in peso.

" Sul posto il monitoraggio dei catalizzatori in funzione è estremamente importante, " Zhang ha detto. "Le informazioni dai catalizzatori funzionanti hanno indicato il successo per la preparazione di CNT di elevata purezza. Sta nella crescita efficiente di CNT con una bassa quantità di impurità di nanocarbonio e ossidazione parziale di gusci di metallo@carbonio da CO catalitica ₂ ossidazione con opportuni parametri di funzionamento. Tale comprensione è molto utile per progettare il percorso per la produzione di massa di CNT con elevata purezza".

Nel futuro, i ricercatori prevedono di modificare il reattore termogravimetrico per ulteriori tecniche di caratterizzazione, come la spettrometria Raman o la diffrazione di raggi X, per ottenere ulteriori informazioni sulle dinamiche della formazione SWCNT. Si aspettano inoltre che l'approccio possa essere applicato ad altri sistemi che implicano reazioni catalitiche con deposizione di produzione.

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