Gli scienziati di Skoltech hanno trovato un modo per migliorare la tecnologia più utilizzata per la produzione di pellicole di nanotubi di carbonio a parete singola, un materiale promettente per celle solari, LED, elettronica flessibile e trasparente, tessuti intelligenti, imaging medico, rilevatori di gas tossici, sistemi di filtraggio e Di più. Aggiungendo gas idrogeno insieme al monossido di carbonio nella camera di reazione, il team è riuscito a quasi triplicare la resa dei nanotubi di carbonio rispetto a quando vengono utilizzati altri promotori della crescita, senza compromettere la qualità.
Fino ad ora, la bassa resa è stata il collo di bottiglia che limitava il potenziale di quella tecnologia di produzione, altrimenti nota per l’elevata qualità del prodotto. Lo studio è stato pubblicato sul Chemical Engineering Journal .
Anche se non è così che sono realmente realizzati, concettualmente i nanotubi sono una forma di carbonio in cui fogli di atomi disposti a nido d'ape, noti come grafene, vengono arrotolati senza soluzione di continuità in cilindri cavi.
Variano in lunghezza, diametro e cosiddetta chiralità (come la struttura a nido d'ape è "obliqua"), nonché se il tubo è a parete singola o ha altri tubi più larghi attorno ad esso, rendendolo "a pareti multiple". Le proprietà dei nanotubi di carbonio variano ampiamente in base ai parametri sopra indicati. La chiralità, ad esempio, controlla la loro conduttività elettrica. I nanotubi di carbonio vengono prodotti sotto forma di polvere, pellicole sottili, fibre e in altre forme, a seconda dell'applicazione a cui sono destinati.
Grazie alle loro eccellenti proprietà meccaniche, elettriche, ottiche e termiche, i nanotubi di carbonio vengono utilizzati in diversi prodotti e tecnologie, dai pneumatici per auto resistenti allo strappo e materiali compositi per le pale delle turbine eoliche ai touchscreen flessibili e ai componenti delle batterie agli ioni di litio.
Le principali applicazioni dei nanotubi di carbonio a parete singola sotto forma di film sottili riguardano dispositivi, componenti e soluzioni elettronici e ottici, in particolare quelli destinati ad essere flessibili, estensibili, indossabili e trasparenti. Tra questi ci sono laser, diodi e display a emissione di luce, celle solari, cavi, transistor, sensori meccanici, chimici e di luce, sistemi di filtraggio di gas e liquidi, rivestimenti antistatici e persino veicoli per la somministrazione di farmaci.
La tecnologia principale per la produzione di pellicole di nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT), e in effetti della maggior parte delle altre forme di nanotubi di carbonio, è nota come deposizione chimica in fase vapore (CVD) e comprende diverse tecniche che sono variazioni dello stesso processo di base.
Tra queste varianti, il catalizzatore galleggiante (aerosol) CVD viene utilizzato per la produzione di film sottili, perché consente di ottenerli in un unico passaggio.
In questo metodo, flussi gassosi di fonte di carbonio (materia prima di carbonio per la crescita di nanotubi, come idrocarburi, monossido di carbonio, etanolo, ecc.) e precursore del catalizzatore (tipicamente, precursore di nanoparticelle di ferro, ad esempio ferrocene) vengono introdotti nell'alto- reattore di temperatura.
L'alta temperatura decompone il precursore in nanoparticelle catalitiche seguite dalla decomposizione della fonte di carbonio e dalla deposizione di carbonio sulla loro superficie, dalla formazione di un cappuccio simile a un emisfero di fullerene e dalla crescita dei nanotubi. All'uscita del reattore, i nanotubi vengono filtrati simultaneamente formando una rete "2D" sulla superficie del filtro:la sottile pellicola SWCNT.
"La scelta della fonte di carbonio dipende dalle proprietà desiderate dei nanotubi. Il monossido di carbonio fornisce un prodotto di alta qualità adatto per applicazioni ottiche ed elettroniche, ma al costo di una resa piuttosto modesta", ha affermato il coautore dello studio, il professore assistente Dmitry Krasnikov di Skoltech.
Per risolvere questo problema, i ricercatori in genere utilizzano promotori della crescita, composti aggiuntivi nel reattore CVD che aumentano la crescita dei nanotubi o migliorano l’attivazione e/o la durata del catalizzatore. Tipicamente si tratta di composti dello zolfo, ossidanti deboli, come anidride carbonica o acqua, o ulteriori fonti di carbonio. Tuttavia, tutte queste opzioni hanno i loro svantaggi.
"Le soluzioni attuali non sono riuscite a migliorare in modo significativo la produttività della sintesi basata sulla CO2. L'aumento della resa di due o tre volte è stato tipico per l'anidride carbonica, mentre l'aggiunta di zolfo si è dimostrata inefficace per il processo basato sulla CO", ha commentato Ilya Novikov, l'autore principale della pubblicazione che ha recentemente difeso il suo dottorato di ricerca. tesi dedicata alla sintesi dei nanotubi presso Skoltech.
"Abbiamo considerato l'idrogeno come un possibile efficace promotore della crescita. In lavori precedenti, si è scoperto che la sua introduzione nell'atmosfera di CO potrebbe innescare una reazione aggiuntiva che produce carbonio oltre alla reazione di Boudouard (la sproporzione di CO:CO + CO → C + CO 2 )—Idrogenazione della CO (CO + H2 → C + H2 O). Abbiamo concluso che potrebbe funzionare anche nel nostro caso."
Dopo un'indagine approfondita dell'effetto dell'idrogeno sulla resa della sintesi SWCNT e delle proprietà del prodotto nanotubo, gli autori hanno riscontrato un aumento di 15 volte nella produttività della sintesi con una concentrazione del 10% in volume di H2 senza deterioramento delle proprietà strutturali della pellicola di nanotubi e delle prestazioni come conduttore trasparente.
"Dopo aver studiato i meccanismi coinvolti nella crescita dei nanotubi mediante metodi di spettroscopia ottica e microscopia elettronica e aver eseguito uno studio dettagliato della termodinamica del processo, abbiamo concluso che l'idrogenazione del monossido di carbonio è effettivamente responsabile di un effetto così notevole", ha affermato il professor Albert Nasibulin, l'autore dell'articolo. capo del Laboratorio di Nanomateriali presso Skoltech.
"Inoltre, per spiegare la sua influenza sul processo in dettaglio, abbiamo esaminato diversi regimi di temperatura per la sintesi dei nanotubi oltre alla diversa concentrazione di idrogeno", ha aggiunto Krasnikov.
"Inaspettatamente, sono stati osservati due diversi fenomeni:nel regime di bassa temperatura, l'idrogeno migliora significativamente l'attivazione del catalizzatore (la frazione di particelle di ferro attive per la catalisi), aumentando così la resa, mentre, nel regime di alta temperatura, migliora la crescita dei nanotubi , risultando in nanotubi più lunghi con una maggiore conduttività dei film."
"Pertanto, riteniamo che questo studio risolva due importanti problemi contemporaneamente. Da un lato, un notevole miglioramento nella produttività della sintesi estende in modo significativo le applicazioni dei processi CVD aerosol basati su CO e avvicina questo metodo alla produzione di nanotubi a livello industriale. D'altro canto, in questo lavoro siamo riusciti a scoprire i meccanismi fondamentali dietro la crescita dei nanotubi basata sulla sproporzione della CO2, che dovrebbero essere estremamente utili per una comprensione più approfondita della sintesi CVD dei nanotubi in generale," ha concluso Nasibulin.
Ulteriori informazioni: Ilya V. Novikov et al, Potenziamento della sintesi basata su CO di nanotubi di carbonio a parete singola con idrogeno, Chemical Engineering Journal (2023). DOI:10.1016/j.cej.2023.146527
Informazioni sul giornale: Giornale di ingegneria chimica
Fornito da Skolkovo Institute of Science and Technology
