Professor Stephan Irle från Institute of Transformative Bio-Molecules (WPI-ITbM) vid Nagoya University och medarbetare vid Kyoto University, Oak Ridge National Lab (ORNL), och kinesiska forskningsinstitutioner har avslöjat genom teoretiska simuleringar att den molekylära mekanismen för tillväxt av kolnanorör (CNT) och kolväteförbränning faktiskt har många likheter.

I studier med acetylenmolekyler (etyn; C2H2, en molekyl som innehåller en trippelbindning mellan två kolatomer) som råmaterial, etynylradikalen (C2H), en mycket reaktiv molekylär intermediär befanns spela en viktig roll i både processer som bildar CNT och sot, som är två tydligt olika strukturer.

Studien publicerades online den 24 januari, 2014 in Kol , förväntas leda till identifiering av nya sätt att kontrollera tillväxten av CNT och öka förståelsen för bränsleförbränningsprocesser.

CNT är molekyler med en cylindrisk nanostruktur (nano =10E-9 m eller 1/1, 000, 000, 000 m). Till följd av deras unika fysikaliska och kemiska egenskaper, CNT:er har hittat tekniska tillämpningar inom elektronikområdet, optik och materialvetenskap.

CNT kan syntetiseras med en metod som kallas kemisk ångavsättning, där kolväteångmolekyler avsätts på övergångsmetallkatalysatorer under ett flöde av icke-reaktiv gas vid höga temperaturer.

Aktuella problem med denna metod är att CNT vanligtvis produceras som blandningar av nanorör med olika diametrar och olika sidoväggsstrukturer. Teoretiska simuleringar koordinerade av professor Irle har undersökt de molekylära mekanismerna för CNT-tillväxt med användning av acetylenmolekyler som råmaterial (Figur 1). Resultatet av deras forskning ger insikt i att identifiera nya parametrar som kan varieras för att förbättra kontrollen över produktdistribution i syntesen av CNT.

Höga teoretiska beräkningar med hjälp av kvantkemisk molekylär dynamik utfördes för att studera de tidiga stadierna av CNT -tillväxt från acetylenmolekyler på små järn (Fe38) -kluster. Tidigare mekanistiska studier har postulerat fullständig nedbrytning av kolvätekällans gaser till atomärt kol innan CNT-tillväxt.

"Våra simuleringar har visat att acetylenoligomerisering och tvärbindningsreaktioner mellan kolvätekedjor förekommer som viktiga reaktionsvägar i CNT-tillväxt, tillsammans med sönderdelning till atomkol ", säger professor Stephan Irle, som ledde forskningen, "detta följer väteabstraktionsacetylenaddition (HACA)-liknande mekanismer som vanligtvis observeras i förbränningsprocesser", fortsätter han.

Förbränningsprocesser är kända för att fortgå genom den väteabstraktionsacetylentillsats (HACA)-liknande mekanismen. Initiering av mekanismen börjar med väteatomabstraktion från en prekursormolekyl följt av acetylentillsats, och den repetitiva cykeln leder till bildning av ringstrukturerade polykyliska aromatiska kol (PAH).

I denna process, den mycket reaktiva etynylradikalen (C2H) regenereras kontinuerligt, förlänger ringarna av PAH och bildar så småningom sot. Samma nyckelreaktiva intermediär observeras i CNT-tillväxt och fungerar som en organokatalysator (en katalysator baserad på en organisk molekyl) som underlättar väteöverföringsreaktioner över växande kolvätekluster. Simuleringarna identifierar en spännande bifurkationsprocess genom vilken väterika kolvätearter berikar väteinnehåll som skapar biprodukter som inte är CNT, och vätebristiga kolvätearter berikar kolinnehållet som leder till CNT-tillväxt (Figur 2).

"Vi startade den här typen av forskning från 2000, och lång simuleringstid har varit en stor utmaning att genomföra fullständiga simuleringar över alla deltagande molekyler, på grund av den relativt höga hållfastheten hos kol-vätebindningen. Genom att etablera och använda en snabb beräkningsmetod, vi lyckades införliva väte i våra beräkningar för första gången, vilket ledde till att denna nya förståelse avslöjade likheten mellan CNT-tillväxt och kolväteförbränningsprocesser. Det här fyndet är väldigt spännande i den meningen att dessa processer länge ansågs fortgå med helt andra mekanismer", utvecklar professor Irle.

Resultaten av dessa simuleringar illustrerar betydelsen av kolkemisk bindning och molekylära transformationer i CNT-tillväxt. Professor Irle förklarar, "Våra simuleringar föreslår nya parametrar, såsom att justera vätehalten för att förbättra kontrollen av CNT-tillväxt och sotbildning. Vi vill utveckla nya metoder för att påskynda tekniker som kommer att övertyga experimentalister och etablera ytterligare verktyg för att utforska nya möjligheter som kommer att bidra till förståelsen av dessa viktiga processer."