En grønnere måde at dyrke kulstofnanorør på

I betragtning af deres størrelse, styrke og elektriske egenskaber, carbon nanorør - små, hule cylindre lavet af carbonatomer - hold løfte om en række applikationer inden for elektronik, medicin og andre områder. På trods af industriel udvikling af nanorør i de seneste år, imidlertid, meget lidt er kendt om, hvordan de dannes eller miljøpåvirkninger af deres fremstilling.

Det viser sig, at en proces, der almindeligvis bruges til at producere kulnanorør, eller CNT'er, kan frigive flere hundrede tons kemikalier, herunder drivhusgasser og farlige luftforurenende stoffer, i luften hvert år. I et papir, der blev offentliggjort i sidste uge om ACS Nano internet side, forskerne rapporterer, at i forsøg fjernelse af et trin i denne proces-et trin, der involverer opvarmning af kulstofbaserede gasser og tilføjelse af vigtige reaktive "ingredienser"-reducerede emissioner af skadelige biprodukter mindst ti gange og, i nogle tilfælde, med en faktor 100. Det reducerede også mængden af ​​energi, der blev brugt i processen med det halve.

"Vi var i stand til at gøre alt dette og stadig have en god CNT -vækst, ”Siger Desiree Plata, der ledede forskningen mellem 2007 og 2009 som doktorand i MIT’s fælles program med Woods Hole Oceanographic Institution. Nu gæstende adjunkt i MITs afdelinger for luftfart og astronautik og civil- og miljøteknik (CEE), Plata samarbejdede om papiret med flere forskere fra MIT og University of Michigan, herunder Philip Gschwend, Ford professor i teknik i CEE, og John Hart, en maskiningeniør professor ved University of Michigan. Undersøgelsen er en del af en langsigtet indsats for at ændre tilgangen til materialeudvikling, så miljøkemikere arbejder sammen med den unge CNT-industri for at udvikle metoder til at forhindre eller begrænse uønskede miljøkonsekvenser.

I deres undersøgelse, Plata og hendes kolleger analyserede en fælles CNT -fremstillingsproces kendt som katalytisk kemisk dampaflejring. I denne metode, producenter kombinerer brint med en "råstofgas, "Såsom metan, kulilte eller ethylen. De opvarmer derefter kombinationen i en reaktor, der indeholder en metalkatalysator som nikkel eller jern, som derefter danner CNT'er. Problemet er, at når CNT'erne dannes, ureagerede forbindelser (op til 97 procent af det oprindelige råstof) frigives ofte til luften.

Slukker for varmen

I en specialfremstillet reaktor i laboratorieskala, forskerne opvarmede brint og ethylen, som almindeligvis bruges i storvolumen CNT-fremstilling, og derefter afleveret det til en metalkatalysator. De fandt ud af, at der dannedes mere end 40 forbindelser, herunder drivhusgasser som metan og giftige luftforurenende stoffer som benzen.

Forskerne mistænkte, at ikke alle disse forbindelser var afgørende for dyrkning af CNT, og de vidste, at opvarmning af råmaterialegassen spiller en afgørende rolle i dannelsen af ​​de farlige forbindelser. Så de kombinerede uopvarmet ethylen og hydrogen med flere af de 40 forbindelser, en efter en, for at se hvilken kombination af forbindelser, der førte til den bedste vækst. De observerede, at visse alkyner, eller molekyler, der har mindst to carbonatomer hængende sammen med tre forskellige bindinger, produceret den bedste vækst, mens andre forbindelser, der er uønskede biprodukter, såsom metan og benzen, gjorde ikke.

Plata og hendes kolleger opnåede deres dramatiske reduktion i både skadelige emissioner og energiforbrug ved at påvirke alkyner ved stuetemperatur, med ethylen og hydrogen, direkte på metalkatalysatoren, uden varme. De lærte også, at de kunne reducere mængden af ​​ethylen og hydrogen, der blev brugt med omkring 20 og 40 procent, henholdsvis, og stadig opnå samme hastighed og kvalitet af CNT -vækst. Plata siger, at selvom resultaterne af laboratorieforsøg er svære at generalisere, på et marked, der forventes at nå flere milliarder dollars inden for flere år, disse ændringer kan udmønte sig i "betydelige omkostningsbesparelser" for producenterne.

Branchens reaktion

Selvom det er for tidligt for producenterne at anvende den metode, der præsenteres i avisen, David Lashmore, vicepræsident og teknologichef i Concord, N.H.-baserede Nanocomp Technologies, siger, at metoden er noget, hans virksomhed er villig til at prøve, da den leder efter måder at minimere miljøeffekterne af sin produktionsproces. ”Dette er af stor interesse for os og kan have en bred indvirkning på vores procesøkonomi, ”Siger han.

Plata påpeger, at MIT -undersøgelsen kun analyserede en af ​​flere råvaregasser, der blev brugt til fremstilling af CNT, og at den samme analyse skal foretages for de andre. Men for hendes egen del, hun fokuserer nu på, hvordan CNT'er dannes, forsøger at bestemme den præcise vekselvirkning mellem metalkatalysatoren og kulbrinterne i denne proces. At kende katalysatorens rolle kan hjælpe forskere med at manipulere CNT'ers dannelse atom for atom - meget mere præcist, end de kan nu, hun siger.