Los científicos de Skoltech han encontrado una manera de mejorar la tecnología más utilizada para producir películas de nanotubos de carbono de pared simple:un material prometedor para células solares, LED, electrónica flexible y transparente, textiles inteligentes, imágenes médicas, detectores de gases tóxicos, sistemas de filtración y más. Al agregar gas hidrógeno junto con monóxido de carbono a la cámara de reacción, el equipo logró casi triplicar el rendimiento de los nanotubos de carbono en comparación con el uso de otros promotores de crecimiento, sin comprometer la calidad.
Hasta ahora, el bajo rendimiento ha sido el cuello de botella que limita el potencial de esa tecnología de fabricación, conocida por la alta calidad de sus productos. El estudio ha sido publicado en el Chemical Engineering Journal .
Aunque no es así como realmente se fabrican, conceptualmente, los nanotubos son una forma de carbono en la que láminas de átomos en una disposición en forma de panal (conocida como grafeno) se enrollan sin problemas para formar cilindros huecos.
Varían en longitud, diámetro y la llamada quiralidad (cómo está "sesgado" el patrón de panal), así como si el tubo es de pared simple o tiene otros tubos más anchos a su alrededor, lo que lo convierte en "de paredes múltiples". Las propiedades de los nanotubos de carbono varían ampliamente según los parámetros anteriores. La quiralidad, por ejemplo, controla su conductividad eléctrica. Los nanotubos de carbono se fabrican en forma de polvo, películas delgadas, fibras y en otras formas, según la aplicación a la que estén destinados.
Debido a sus magníficas propiedades mecánicas, eléctricas, ópticas y térmicas, los nanotubos de carbono se utilizan en diversos productos y tecnologías, desde neumáticos de automóvil resistentes al desgarro y materiales compuestos para palas de turbinas eólicas hasta pantallas táctiles flexibles y componentes de baterías de iones de litio.
Las principales aplicaciones de los nanotubos de carbono de pared simple en forma de películas delgadas se encuentran en dispositivos, componentes y soluciones electrónicos y ópticos, particularmente aquellos destinados a ser flexibles, estirables, portátiles y transparentes. Entre ellos se encuentran láseres, pantallas y diodos emisores de luz, células solares, cables, transistores, sensores mecánicos, químicos y de luz, sistemas de filtración de gases y líquidos, recubrimientos antiestáticos e incluso vehículos de administración de medicamentos.
La principal tecnología para fabricar películas de nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT), y de hecho la mayoría de las otras formas de nanotubos de carbono, se conoce como deposición química de vapor (CVD) y abarca varias técnicas que son variaciones del mismo proceso básico.
Entre tales variaciones, el catalizador flotante (aerosol) CVD se utiliza para la producción de películas delgadas, porque permite obtenerlas en un solo paso.
En este método, se introducen flujos gaseosos de fuente de carbono (materia prima de carbono para nanotubos en crecimiento, como hidrocarburos, monóxido de carbono, etanol, etc.) y precursor del catalizador (típicamente, precursor de nanopartículas de hierro, por ejemplo, ferroceno). reactor de temperatura.
La alta temperatura descompone el precursor en nanopartículas catalíticas, seguido de la descomposición de la fuente de carbono y la deposición de carbono en su superficie, la formación de una capa similar a un hemisferio de fullereno y el crecimiento de nanotubos. A la salida del reactor, los nanotubos se filtran simultáneamente formando una red "2D" en la superficie del filtro:la fina película SWCNT.
"La elección de la fuente de carbono depende de las propiedades deseadas de los nanotubos. El monóxido de carbono proporciona un producto de alta calidad adecuado para aplicaciones ópticas y electrónicas, pero a costa de un rendimiento bastante modesto", dijo el coautor del estudio, el profesor asistente Dmitry Krasnikov de Skoltech.
Para resolver este problema, los investigadores suelen utilizar promotores de crecimiento:compuestos adicionales en el reactor CVD que aumentan el crecimiento de los nanotubos o mejoran la activación y/o la vida útil del catalizador. Normalmente se trata de compuestos de azufre, oxidantes débiles, como dióxido de carbono o agua, o fuentes adicionales de carbono. Sin embargo, todas estas opciones tienen sus inconvenientes.
"Las soluciones actuales no pudieron mejorar significativamente la productividad de la síntesis basada en CO. En el caso del dióxido de carbono, el rendimiento se duplicó o triplicó, mientras que en el proceso basado en CO se demostró que la adición de azufre era ineficaz", comentó Ilya Novikov. el autor principal de la publicación que recientemente defendió su doctorado. tesis dedicada a la síntesis de nanotubos en Skoltech.
"Consideramos el hidrógeno como un posible promotor de crecimiento eficaz. En trabajos anteriores, se descubrió que su introducción en la atmósfera de CO podría desencadenar una reacción adicional que produce carbono, además de la reacción de Boudouard (la desproporción de CO:CO + CO → C + CO 2 )—hidrogenación de CO (CO + H2 → C + H2 O). Llegamos a la conclusión de que podría funcionar también en nuestro caso."
Después de una investigación exhaustiva del efecto del hidrógeno en el rendimiento de la síntesis de SWCNT, así como en las propiedades del producto de nanotubos, los autores encontraron un aumento de 15 veces en la productividad de la síntesis con una concentración de H2 del 10% en volumen. sin deterioro de las propiedades estructurales de la película de nanotubos y su rendimiento como conductor transparente.
"Después de estudiar los mecanismos implicados en el crecimiento de los nanotubos mediante métodos de espectroscopia óptica y microscopía electrónica y realizar un estudio detallado de la termodinámica del proceso, llegamos a la conclusión de que la hidrogenación del monóxido de carbono es realmente responsable de un efecto tan notable", dijo el profesor Albert Nasibulin, el jefe del Laboratorio de Nanomateriales de Skoltech.
"Además, para explicar en detalle su influencia en el proceso, examinamos diferentes regímenes de temperatura para la síntesis de nanotubos, además de variar la concentración de hidrógeno", añadió Krasnikov.
"Inesperadamente, se observaron dos fenómenos diferentes:en el régimen de baja temperatura, el hidrógeno mejora significativamente la activación del catalizador (la fracción de partículas de hierro activas para la catálisis), aumentando así el rendimiento, mientras que, en el régimen de alta temperatura, mejora el crecimiento de los nanotubos. , lo que da como resultado nanotubos más largos con mayor conductividad de las películas."
"Por lo tanto, creemos que este estudio resuelve dos problemas importantes a la vez. Por un lado, una mejora considerable en la productividad de la síntesis amplía significativamente las aplicaciones de los procesos CVD en aerosol basados en CO y acerca este método a la producción de nanotubos a nivel industrial. Por otro lado, en este trabajo hemos logrado descubrir mecanismos fundamentales detrás del crecimiento de nanotubos basados en la desproporción de CO, lo que debería ser extremadamente útil para una comprensión más profunda de la síntesis CVD de nanotubos en general", concluyó Nasibulin.
Más información: Ilya V. Novikov et al, Impulsando la síntesis basada en CO de nanotubos de carbono de pared simple con hidrógeno, Chemical Engineering Journal (2023). DOI:10.1016/j.cej.2023.146527
Información de la revista: Revista de ingeniería química
Proporcionado por el Instituto de Ciencia y Tecnología de Skolkovo
