Ny lavpristeknik konverterer bulklegeringer til oxidnanotråde

En simpel teknik til fremstilling af oxid-nanotråde direkte fra bulkmaterialer kan dramatisk sænke omkostningerne ved at producere de endimensionelle (1D) nanostrukturer. Det kunne åbne døren for en bred vifte af anvendelser i lette strukturelle kompositter, avancerede sensorer, elektroniske enheder - og termisk stabile og stærke batterimembraner, der kan modstå temperaturer på mere end 1, 000 grader Celsius.

Teknikken bruger en opløsningsmiddelreaktion med en bimetallisk legering - hvor et af metallerne er reaktivt - til at danne bundter af nanotråde (nanofibre) ved reaktiv metalopløsning. Processen udføres ved omgivende temperatur og tryk uden brug af katalysatorer, giftige kemikalier eller dyre processer såsom kemisk dampaflejring. De producerede nanotråde kan bruges til at forbedre de elektriske, termiske og mekaniske egenskaber af funktionelle materialer og kompositter.

Forskningen, som er planlagt til at blive rapporteret i denne uge i journalen Videnskab , blev støttet af National Science Foundation og Californien-baserede Sila Nanotechnologies. Processen menes at være den første til at omdanne bulkpulver til nanotråde ved omgivende forhold.

"Denne teknik kan åbne døren for en række syntesemuligheder for at producere billige 1D nanomaterialer i store mængder, " sagde Gleb Yushin, en professor ved School of Materials Science and Engineering ved Georgia Institute of Technology. "Du kan stort set putte bulkmaterialerne i en spand, fyld den med et passende opløsningsmiddel og opsaml nanotråde efter et par timer, hvilket er meget enklere end hvor mange af disse strukturer, der produceres i dag."

Yushins forskerhold, som omfattede tidligere kandidatstuderende Danni Lei og James Benson, har produceret oxid nanotråde fra lithium-magnesium og lithium-aluminium legeringer ved hjælp af en række forskellige opløsningsmidler, herunder simple alkoholer. Produktion af nanotråde fra andre materialer er en del af igangværende forskning, som ikke blev rapporteret i papiret.

Dimensionerne af nanotrådsstrukturerne kan styres ved at variere opløsningsmidlet og procesbetingelserne. Strukturerne kan fremstilles i diametre fra snesevis af nanometer op til mikron.

"Minimering af grænsefladeenergien ved grænsen af ​​den kemiske reaktionsfront gør det muligt for os at danne små kerner og derefter bevare deres diameter, mens reaktionen skrider frem, derved dannes nanotråde, " forklarede Yushin. "Ved at styre lydstyrkeændringerne, overflade energi, reaktionsprodukternes reaktivitet og opløselighed, sammen med temperatur og tryk, vi kan justere betingelserne for at producere nanotråde af de dimensioner, vi ønsker."

En af de attraktive anvendelser kan være separatormembraner til lithium-ion-batterier, hvis høje effekttæthed har gjort dem attraktive til at drive alt fra forbrugerelektronik til fly og motorkøretøjer. Imidlertid, polymerseparationsmembranerne, der bruges i disse batterier, kan ikke modstå de høje temperaturer, der genereres af visse fejlscenarier. Som resultat, kommercielle batterier kan fremkalde brande og eksplosioner, hvis det ikke er designet meget omhyggeligt, og det er ekstremt svært at undgå defekter og fejl konsekvent i titusinder af enheder.

Brug af billige papirlignende membraner lavet af keramiske nanotråde kunne hjælpe med at løse disse bekymringer, fordi strukturerne er stærke og termisk stabile, samtidig med at den er fleksibel - i modsætning til mange bulk keramik. Materialet er også polært, hvilket betyder, at den bliver mere grundigt befugtet af forskellige batterielektrolytopløsninger.

"Samlet set, dette er en bedre teknologi til batterier, men indtil nu, keramiske nanotråde har været for dyre at overveje seriøst, " sagde Yushin. "I fremtiden, vi kan forbedre de mekaniske egenskaber yderligere og opskalere syntese, gør den billige keramiske separatorteknologi meget attraktiv for batteridesignere."

Fremstilling af nanotrådene begynder med dannelse af legeringer sammensat af et reaktivt og et ikke-reaktivt metal, såsom lithium og aluminium (eller magnesium og lithium). Legeringen anbringes derefter i et passende opløsningsmiddel, som kunne omfatte en række alkoholer, såsom ethanol. Det reaktive metal (lithium) opløses fra overfladen i opløsningsmidlet, oprindeligt at producere kerner (nanopartikler) bestående af aluminium.

Selvom bulkaluminium ikke er reaktivt med alkohol på grund af dannelsen af ​​passiveringslaget, den kontinuerlige opløsning af lithium forhindrer passivering og tillader gradvis dannelse af aluminiumalkoxid nanotråde, som vokser vinkelret på overfladen af ​​partiklerne startende fra kernerne, indtil partiklerne er fuldstændig omdannet. Alkoxid-nanotrådene kan derefter opvarmes i fri luft for at danne aluminiumoxid-nanotråde og kan formes til papirlignende ark.

Det opløste lithium kan genvindes og genbruges. Opløsningsprocessen genererer brintgas, som kunne fanges og bruges til at hjælpe med at brænde opvarmningstrinnet.

Selvom processen først blev undersøgt for at fremstille magnesium- og aluminiumoxidnano-tråde, Yushin mener, at det har et bredt potentiale for at lave andre materialer. Fremtidigt arbejde vil udforske syntese af nye materialer og deres anvendelser, and develop improved fundamental understanding of the process and predictive models to streamline experimental work.

The researchers have so far produced laboratory amounts of the nanowires, but Yushin believes that the process could be scaled up to produce industrial quantities. Though the ultimate cost will depend on many variables, he expects to see fabrication costs cut by several orders of magnitude over existing techniques.

"With this technique, you could potentially produce nanowires for a cost not much more than that of the raw materials, " he said. Beyond battery membranes, the nanowires could be useful in energy harvesting, catalyst supports, sensorer, flexible electronic devices, lightweight structural composites, byggematerialer, electrical and thermal insulation and cutting tools.

The new technique was discovered accidentally while Yushin's students were attempting to create a new porous membrane material. Instead of the membrane they had hoped to fabricate, the process generated powders composed of elongated particles.

"Though the experiment didn't produce what we were looking for, I wanted to see if we could learn something from it anyway, " said Yushin. Efforts to understand what had happened ultimately led to the new synthesis technique.

In addition to those already named, the research included Alexandre Magaskinski of Georgia Tech and Gene Berdichevsky of Sila Nanotechnologies.