Med tanke på deras storlek, styrka och elektriska egenskaper, kolnanorör - små, ihåliga cylindrar gjorda av kolatomer - håll löfte för en rad tillämpningar inom elektronik, medicin och andra områden. Trots industriell utveckling av nanorör de senaste åren har dock, mycket lite är känt om hur de bildas eller miljöpåverkan från deras tillverkning.

Det visar sig att en process som vanligtvis används för att producera kolnanorör, eller CNT, kan släppa ut flera hundra ton kemikalier, inklusive växthusgaser och farliga luftföroreningar, i luften varje år. I en artikel publicerad förra veckan om ACS Nano hemsida, forskarna rapporterar att i experiment, ta bort ett steg i den processen-ett steg som innebär uppvärmning av kolbaserade gaser och tillsättning av viktiga reaktiva "ingredienser"-minskade utsläpp av skadliga biprodukter minst tiofaldigt och, i vissa fall, med en faktor 100. Det minskade också mängden energi som används i processen med hälften.

"Vi kunde göra allt detta och har fortfarande god CNT -tillväxt, Säger Desiree Plata, som ledde forskningen mellan 2007 och 2009 som doktorand i MIT:s gemensamma program med Woods Hole Oceanographic Institution. Nu gästande biträdande professor vid MIT:s avdelningar för luftfart och astronautik och civil- och miljöteknik (CEE), Plata samarbetade i tidningen med flera forskare från MIT och University of Michigan, inklusive Philip Gschwend, Ford professor i teknik i CEE, och John Hart, professor i maskinteknik vid University of Michigan. Studien är en del av ett långsiktigt arbete med att ändra tillvägagångssättet för materialutveckling så att miljökemister tillsammans med den unga CNT-industrin utvecklar metoder för att förebygga eller begränsa oönskade miljökonsekvenser.

I deras studie, Plata och hennes kollegor analyserade en vanlig CNT -tillverkningsprocess som kallas katalytisk kemisk ångavsättning. I denna metod, tillverkare kombinerar väte med en "råvara, ”Såsom metan, kolmonoxid eller eten. De värmer sedan kombinationen i en reaktor som innehåller en metallkatalysator som nickel eller järn, som sedan bildar CNT. Problemet är att när CNT bildas, oreagerade föreningar (upp till 97 procent av det ursprungliga råmaterialet) släpps ofta ut i luften.

Stänger av värmen

I en specialtillverkad reaktor i laboratorieskala, forskarna värmde väte och eten, som vanligtvis används vid högvolym CNT-tillverkning, och levererade den sedan till en metallkatalysator. De fann att mer än 40 föreningar bildades, inklusive växthusgaser som metan och giftiga luftföroreningar som bensen.

Forskarna misstänkte att inte alla dessa föreningar var avgörande för odling av CNT, och de visste att uppvärmning av råmaterialgasen spelar en avgörande roll för att skapa de farliga föreningarna. Så de kombinerade ouppvärmd eten och väte med flera av de 40 föreningarna, en och en, för att se vilken kombination av föreningar som ledde till den bästa tillväxten. De observerade att vissa alkyner, eller molekyler som har minst två kolatomer som sitter ihop med tre distinkta bindningar, gav den bästa tillväxten, medan andra föreningar som är oönskade biprodukter, såsom metan och bensen, gjorde inte.

Plata och hennes kollegor uppnådde sin dramatiska minskning av både skadliga utsläpp och energiförbrukning genom att påverka rumstemperaturalkyner, med eten och väte, direkt på metallkatalysatorn, utan värme. De lärde sig också att de kunde minska mängden eten och väte som användes med cirka 20 och 40 procent, respektive, och fortfarande uppnå samma takt och kvalitet för CNT -tillväxt. Plata säger att även om resultaten av laboratorieexperiment är svåra att generalisera, på en marknad som förväntas nå flera miljarder dollar inom flera år, dessa förändringar kan leda till "betydande kostnadsbesparingar" för tillverkare.

Branschens reaktion

Även om det är för tidigt för tillverkare att anta metoden som presenteras i tidningen, David Lashmore, vice vd och teknikchef för Concord, N.H.-baserade Nanocomp Technologies, säger att metoden är något hans företag är villigt att försöka eftersom det letar efter sätt att minimera miljöeffekterna av sin produktionsprocess. ”Detta är av stort intresse för oss och kan ha en bred inverkan på vår processekonomi, Säger han.

Plata påpekar att MIT -studien endast analyserade en av flera råvarugaser som används för att tillverka CNT, och att samma analys måste göras för de andra. Men för hennes egen del, hon fokuserar nu på hur CNT bildas, försöker bestämma den exakta interaktionen mellan metallkatalysatorn och kolvätena i denna process. Att känna till katalysatorns roll kan hjälpa forskare att manipulera CNT:s bildande atom för atom - mycket mer exakt än de kan nu, hon säger.