Kulstof nanorør vokser i forbrændingsflammer

Professor Stephan Irle fra Institute of Transformative Bio-Molecules (WPI-ITbM) ved Nagoya University og kolleger ved Kyoto University, Oak Ridge National Lab (ORNL), og kinesiske forskningsinstitutioner har afsløret gennem teoretiske simuleringer, at den molekylære mekanisme for vækst af kulnanorør (CNT) og kulbrinteforbrænding faktisk deler mange ligheder.

I undersøgelser med acetylenmolekyler (ethyn; C2H2, et molekyle, der indeholder en tredobbelt binding mellem to carbonatomer) som råstof, ethynylradikalen (C2H), et stærkt reaktivt molekylært mellemprodukt viste sig at spille en vigtig rolle i både processer, der danner CNT'er og sod, som er to markant forskellige strukturer.

Undersøgelsen offentliggjort online den 24. januar, 2014 i Kulstof , forventes at føre til identifikation af nye måder at kontrollere væksten af ​​CNT'er og til at øge forståelsen af ​​brændstofforbrændingsprocesser.

CNT'er er molekyler med en cylindrisk nanostruktur (nano =10E-9 m eller 1/1, 000, 000, 000 m). Som følge af deres unikke fysiske og kemiske egenskaber, CNT har fundet teknologiske anvendelser inden for elektronik, optik og materialevidenskab.

CNT'er kan syntetiseres ved en metode kaldet kemisk dampaflejring, hvor kulbrintedampmolekyler aflejres på overgangsmetalkatalysatorer under en strøm af ikke-reaktiv gas ved høje temperaturer.

Aktuelle problemer med denne metode er, at CNT'erne normalt produceres som blandinger af nanorør med forskellige diametre og forskellige sidevægsstrukturer. Teoretiske simuleringer koordineret af professor Irle har undersøgt de molekylære mekanismer for CNT-vækst ved hjælp af acetylenmolekyler som råmateriale (figur 1). Resultatet af deres forskning giver indsigt i at identificere nye parametre, der kan varieres for at forbedre kontrollen over produktdistributioner i syntesen af ​​CNT'er.

Teoretiske beregninger på højt niveau ved hjælp af kvantekemisk molekylær dynamik blev udført for at studere de tidlige stadier af CNT -vækst fra acetylenmolekyler på små jern (Fe38) klynger. Tidligere mekanistiske undersøgelser har postuleret fuldstændig nedbrydning af kulbrintekildegasser til atomart kulstof før CNT-vækst.

"Vores simuleringer har vist, at acetylenoligomerisering og tværbindingsreaktioner mellem kulbrintkæder forekommer som store reaktionsveje i CNT-vækst, sammen med nedbrydning til atomart kulstof," siger professor Stephan Irle, hvem ledede forskningen, "dette følger hydrogen-abstraktion acetylentilsætning (HACA) -lignende mekanismer, der almindeligvis observeres i forbrændingsprocesser" fortsætter han.

Forbrændingsprocesser vides at foregå ved hjælp af hydrogen-abstraktion acetylentilsætning (HACA) -lignende mekanisme. Indledningen af ​​mekanismen begynder med hydrogenatom -abstraktion fra et forstadiemolekyle efterfulgt af acetylentilsætning, og den gentagne cyklus fører til dannelse af ringstrukturerede polycykliske aromatiske carbonatomer (PAH'er).

I denne proces, den meget reaktive ethynylradikal (C2H) regenereres løbende, forlænge ringene af PAH'er og til sidst danne sod. Det samme nøglereaktive mellemprodukt observeres i CNT-vækst og fungerer som en organokatalysator (en katalysator baseret på et organisk molekyle), der letter hydrogenoverførselsreaktioner på tværs af voksende kulbrinteklynger. Simuleringerne identificerer en spændende bifurkationsproces, hvorved brintrige kulbrintearter beriger hydrogenindholdet og skaber ikke-CNT-biprodukter, og brintmangel-carbonhydridarter beriger kulstofindhold, der fører til CNT-vækst (figur 2).

"Vi startede denne type forskning fra 2000, og lang simuleringstid har været en stor udfordring at udføre fulde simuleringer på tværs af alle deltagende molekyler, på grund af den relativt høje styrke af carbon-hydrogenbindingen. Ved at etablere og bruge en hurtig beregningsmetode, vi var i stand til at inkorporere brint i vores beregninger for første gang, hvilket førte til, at denne nye forståelse afslørede ligheden mellem CNT-vækst og kulbrinteforbrændingsprocesser. Denne opdagelse er meget spændende i den forstand, at disse processer længe blev anset for at forløbe af helt andre mekanismer," uddyber professor Irle.

Resultaterne af disse simuleringer illustrerer betydningen af ​​kulstofkemisk bindings rolle og molekylære transformationer i CNT-vækst. Professor Irle forklarer, "Vores simuleringer foreslår nye parametre, såsom tuning af brintindhold for at forbedre kontrollen med CNT -vækst og soddannelse. Vi ønsker at udvikle nye metoder til at fremskynde teknikker, der vil overbevise eksperimentelle og etablere yderligere værktøjer til at udforske nye muligheder, der vil bidrage til forståelsen af ​​disse vigtige processer. "