Skoltech-forskare har hittat ett sätt att förbättra den mest använda tekniken för att producera enkelväggiga nanorörsfilmer i kol – ett lovande material för solceller, lysdioder, flexibel och transparent elektronik, smarta textilier, medicinsk bildbehandling, detektorer för giftig gas, filtreringssystem och Mer. Genom att tillsätta vätgas tillsammans med kolmonoxid till reaktionskammaren lyckades teamet nästan tredubbla utbytet av kolnanorör jämfört med när andra tillväxtfrämjare används, utan att kompromissa med kvaliteten.
Fram till nu har låg avkastning varit flaskhalsen som begränsar potentialen för den tillverkningstekniken, annars känd för hög produktkvalitet. Studien har publicerats i Chemical Engineering Journal .
Även om det inte är så de egentligen är tillverkade, är nanorör konceptuellt en form av kol där ark av atomer i ett bikakearrangemang – känd som grafen – sömlöst rullas till ihåliga cylindrar.
De varierar i längd, diameter och så kallad kiralitet (hur bikakemönstret är "skevt"), samt om röret är enkelväggigt eller har andra bredare rör runt sig, vilket gör det "flerväggigt". Egenskaperna hos kolnanorör varierar kraftigt baserat på ovanstående parametrar. Kiralitet styr till exempel deras elektriska ledningsförmåga. Kolnanorör tillverkas som pulver, tunna filmer, fibrer och i andra former, beroende på vilken applikation de är avsedda för.
Tack vare deras enastående mekaniska, elektriska, optiska och termiska egenskaper används kolnanorör i olika produkter och teknologier, från rivtåliga bildäck och kompositmaterial för vindkraftverk till flexibla pekskärmar och litiumjonbatterikomponenter.
De huvudsakliga tillämpningarna för enkelväggiga kolnanorör i form av tunna filmer är i elektroniska och optiska enheter, komponenter och lösningar, särskilt de som är avsedda att vara flexibla, töjbara, bärbara och transparenta. Bland dem finns lasrar, lysdioder och displayer, solceller, kablar, transistorer, mekaniska, kemiska och ljussensorer, gas- och vätskefiltreringssystem, antistatiska beläggningar och till och med läkemedelsleveransfordon.
Den huvudsakliga tekniken för tillverkning av enkelväggiga kolnanorörsfilmer (SWCNT) – och faktiskt de flesta andra former av kolnanorör – är känd som kemisk ångdeposition (CVD) och omfattar flera tekniker som är variationer på samma grundläggande process.
Bland sådana variationer används flytande katalysator (aerosol) CVD för produktion av tunna filmer, eftersom det gör det möjligt att erhålla dem i ett steg.
I denna metod introduceras gasformiga flöden av kolkälla (kolråvara för odling av nanorör, såsom kolväten, kolmonoxid, etanol, etc.) och katalysatorprekursor (vanligtvis prekursor för järnnanopartiklar, till exempel ferrocen) i hög- temperaturreaktor.
Den höga temperaturen bryter ned prekursorn till katalytiska nanopartiklar följt av nedbrytning av kolkällan och avsättning av kol på deras yta, bildandet av fulleren halvklotliknande lock och tillväxt av nanorör. Vid reaktorns utlopp filtreras nanorör samtidigt som bildar ett "2D"-nätverk på filterytan – den tunna SWCNT-filmen.
"Valet av kolkälla beror på de önskade egenskaperna hos nanorör. Kolmonoxid ger hög produktkvalitet lämplig för optik och elektroniktillämpningar, men till priset av ett ganska blygsamt utbyte", säger studiens medförfattare, biträdande professor Dmitry Krasnikov vid Skoltech.
För att lösa detta problem använder forskare vanligtvis tillväxtfrämjare - ytterligare föreningar i CVD-reaktorn som ökar tillväxten av nanorör eller förbättrar katalysatoraktivering och/eller livslängd. Vanligtvis är dessa svavelföreningar, svaga oxidanter, såsom koldioxid eller vatten, eller ytterligare kolkällor. Ändå har alla dessa alternativ sina nackdelar.
"De nuvarande lösningarna kunde inte avsevärt förbättra den CO-baserade syntesproduktiviteten. Två-, trefaldig ökning av utbytet var typiskt för koldioxid, medan svaveltillsats visade sig vara ineffektivt för den CO-baserade processen", kommenterade Ilya Novikov, publikationens huvudförfattare som nyligen försvarat sin doktorsexamen. avhandling ägnad nanorörssyntes vid Skoltech.
"Vi betraktade väte som en möjlig effektiv tillväxtfrämjare. I tidigare arbeten har det visat sig att dess införande i CO-atmosfären kunde utlösa en extra reaktion som producerar kol utöver Boudouard-reaktionen (CO-disproportioneringen:CO + CO → C + CO 2 )—CO-hydrering (CO + H2 → C + H2 O). Vi drog slutsatsen att det kan fungera i vårt fall också."
Efter den grundliga undersökningen av vätes effekt på SWCNT-syntesutbytet samt egenskaperna hos nanorörsprodukten fann författarna en 15-faldig ökning av syntesproduktiviteten vid 10 vol% koncentration av H2 utan försämring av nanorörsfilmens strukturella egenskaper och prestanda som en transparent ledare.
"Efter att ha studerat mekanismerna som är involverade i nanorörstillväxt med optisk spektroskopi och elektronmikroskopimetoder och utfört en detaljerad studie av termodynamiken i processen, drog vi slutsatsen att kolmonoxidhydrering verkligen är ansvarig för en sådan anmärkningsvärd effekt", säger professor Albert Nasibulin, den chef för Laboratory of Nanomaterials på Skoltech.
"Dessutom, för att förklara dess inverkan på processen i detalj, undersökte vi olika temperaturregimer för syntes av nanorör förutom olika vätekoncentrationer," tillade Krasnikov.
"Oväntat observerades två olika fenomen:I lågtemperaturregimen förbättrar väte avsevärt katalysatoraktiveringen (fraktionen av järnpartiklar som är aktiva för katalys), vilket ökar utbytet, medan det i högtemperaturregimen förbättrar nanorörstillväxten , vilket resulterar i längre nanorör med högre ledningsförmåga hos filmerna."
"Därför tror vi att den här studien löser två viktiga problem på en gång. Å ena sidan utökar en avsevärd förbättring av syntesproduktiviteten tillämpningarna av CO-baserade aerosol-CVD-processer avsevärt och placerar denna metod nära nanorörsproduktion på industrinivå. På å andra sidan, i detta arbete har vi lyckats upptäcka grundläggande mekanismer bakom tillväxt av nanorör baserad på CO-disproportionering, vilket borde vara extremt användbart för en djupare förståelse av nanorörs CVD-syntes i allmänhet," avslutade Nasibulin.
Mer information: Ilya V. Novikov et al, Boosting CO-baserad syntes av enkelväggiga kolnanorör med väte, Chemical Engineering Journal (2023). DOI:10.1016/j.cej.2023.146527
Journalinformation: Chemical Engineering Journal
Tillhandahålls av Skolkovo Institute of Science and Technology
