(Phys.org) —Singelväggiga kolnanorör (SWCNT) studeras brett för deras potentiella tillämpningar inom många områden; till exempel, som elektrodmaterial för energilagring, som transparenta ledande filmer, och som nanokompositmaterial med nya egenskaper. Men alla dessa applikationer kräver att SWCNTs har en mycket hög renhet, eftersom metalliska föroreningar har negativa effekter på nanorörens egenskaper. Än så länge, att förbereda SWCNT med mycket få metalliska föroreningar har varit utmanande.

I en ny tidning publicerad i Avancerade funktionella material , Professorerna Qiang Zhang och Fei Wei vid Beijing Key Laboratory of Green Chemical Reaction Engineering and Technology vid Tsinghua University i Peking, Kina, tillsammans med deras medförfattare, har visat en metod för att framställa SWCNT med en kolhalt på 99,5 viktprocent på pulverkatalysatorer, vilket är en av de högsta renheterna hittills.

I allmänhet, när SWCNT först odlas på metall-nanopartikel-stödda katalysatorer, deras kolrenhet är vanligtvis omkring 90 viktprocent. Forskare kan förbättra renheten genom att använda nya syntetiska tillväxtmetoder för att uppnå exakt kontroll över tillväxtprocessen och begränsa tillväxten av metalliska föroreningar. Ett andra alternativ är att försöka ta bort några av de metalliska föroreningarna efter SWCNT-tillväxt, men dessa metoder förstör ofta några av nanorören i processen.

I de flesta tidigare undersökningar, SWCNTs karakteriseras före och efter att tillväxt- och reningsprocesserna utförs, men väldigt få studier övervakar vad som händer under dessa processer.

I den här studien, forskarna använde en termogravimetrisk reaktor kopplad till en masspektrometer för på plats övervakning av tillväxthastigheten för SWCNTs odlade på metallkatalysatorer under 30 minuter. Data visade att tillväxttakten ökar snabbt under de första 27 sekunderna, saktar sedan ner och avslutas nästan efter cirka 2 minuter. Efter det, massan ökar bara mycket gradvis.

Denna övervakning avslöjar att SWCNTs i praktiken är färdigväxta efter 2 minuter, och sedan fortsätter metalliska föroreningar att växa till skada för SWCNT-renheten. Genom att minska tillväxttiden från 30 till 2 minuter, forskarna visade att de kunde förbättra renheten hos SWCNT från 90,4 till 98,5 viktprocent.

Under ledning av på plats övervakning, forskarna skulle kunna förbättra renheten ytterligare genom att använda en teknik efter tillväxt. De visade att CO ₂ oxidation vid en specifik temperatur (850 °C) kan effektivt avlägsna metalliska nanopartiklar medan SWCNTs bevaras. Följaktligen, väldigt få kolnanorör förstörs i denna metod, medan renheten ökar till 99,5 viktprocent.

" På plats övervakning av arbetskatalysatorerna är extremt viktig, ", sade Zhang. "Informationen från arbetskatalysatorerna indikerade framgången för framställningen av CNT:er med hög renhet. Det ligger i den effektiva tillväxten av CNT med en låg mängd nanokolföroreningar och partiell oxidation av metall@kol-skal av katalytisk CO ₂ oxidation med korrekta driftsparametrar. En sådan förståelse är till stor hjälp för att utforma vägen för massproduktion av CNT med hög renhet."

I framtiden, forskarna planerar att modifiera den termogravimetriska reaktorn för ytterligare karakteriseringstekniker, såsom Raman-spektrometri eller röntgendiffraktion, för att få ytterligare insikt i dynamiken i SWCNT-bildning. De förväntar sig också att tillvägagångssättet kan tillämpas på andra system som involverar katalytiska reaktioner med produktionsdeposition.

© 2013 Phys.org