Forskere tredobler kulstof nanorørs udbytte for LED'er, solceller, fleksibel og gennemsigtig elektronik

Skoltech-forskere har fundet en måde at forbedre den mest udbredte teknologi til fremstilling af enkeltvæggede kulstof-nanorørfilm - et lovende materiale til solceller, LED'er, fleksibel og gennemsigtig elektronik, smarte tekstiler, medicinsk billeddannelse, giftgasdetektorer, filtreringssystemer og mere. Ved at tilføje brintgas sammen med kulilte til reaktionskammeret lykkedes det teamet at næsten tredoble udbyttet af kulstofnanorør sammenlignet med andre vækstfremmere, uden at gå på kompromis med kvaliteten.

Indtil nu har lavt udbytte været flaskehalsen, der begrænser potentialet i denne produktionsteknologi, ellers kendt for høj produktkvalitet. Undersøgelsen er blevet offentliggjort i Chemical Engineering Journal .

Selvom det ikke er sådan, de i virkeligheden er lavet, er nanorør konceptuelt en form for kulstof, hvor plader af atomer i et honeycomb-arrangement – ​​kendt som grafen – problemfrit rulles ind i hule cylindre.

De varierer i længde, diameter og såkaldt chiralitet (hvordan bikagemønsteret er "skævt"), samt om røret er enkeltvægget eller har andre bredere rør omkring sig, hvilket gør det "flervægget". Egenskaberne af kulstof nanorør varierer meget baseret på ovenstående parametre. Chiralitet styrer for eksempel deres elektriske ledningsevne. Carbon nanorør fremstilles som pulver, tynde film, fibre og i andre former, afhængigt af den anvendelse, de er beregnet til.

På grund af deres fremragende mekaniske, elektriske, optiske og termiske egenskaber bruges kulstofnanorør i forskellige produkter og teknologier, fra rivefaste bildæk og kompositmaterialer til vindmøllevinger til fleksible berøringsskærme og lithium-ion batterikomponenter.

De vigtigste anvendelser af enkeltvæggede kulstof nanorør i form af tynde film er i elektroniske og optiske enheder, komponenter og løsninger, især dem, der er beregnet til at være fleksible, strækbare, bærbare og gennemsigtige. Blandt dem er lasere, lysemitterende dioder og displays, solceller, kabler, transistorer, mekaniske, kemiske og lyssensorer, gas- og væskefiltreringssystemer, antistatiske belægninger og endda transportmidler til medicin.

Hovedteknologien til fremstilling af single-walled carbon nano tube (SWCNT) film – og faktisk de fleste andre former for carbon nanorør – er kendt som kemisk dampaflejring (CVD) og omfatter flere teknikker, der er variationer af den samme grundlæggende proces.

Blandt sådanne variationer bruges flydende katalysator (aerosol) CVD til fremstilling af tynde film, fordi det gør det muligt at opnå dem i ét trin.

Ved denne metode indføres gasformige strømme af kulstofkilde (kulstofråmateriale til dyrkning af nanorør, såsom kulbrinter, kulilte, ethanol osv.) og katalysatorforstadier (typisk forstadie til jernnanopartikler - f.eks. ferrocen) i høj- temperaturreaktor.

Den høje temperatur nedbryder forstadiet til katalytiske nanopartikler efterfulgt af nedbrydning af kulstofkilde og aflejring af kulstof på deres overflade, dannelse af fulleren halvkuglelignende hætte og vækst af nanorør. Ved udløbet af reaktoren filtreres nanorør samtidig og danner et "2D" netværk på filteroverfladen - den tynde SWCNT-film.

"Valget af kulstofkilde afhænger af de ønskede egenskaber af nanorør. Kulilte giver høj produktkvalitet, der er velegnet til optik og elektronikapplikationer, men på bekostning af et ret beskedent udbytte," siger medforfatter af studiet, adjunkt Dmitry Krasnikov fra Skoltech.

For at løse dette problem bruger forskere typisk vækstfremmere - yderligere forbindelser i CVD-reaktoren, der øger nanorørvækst eller forbedrer katalysatoraktivering og/eller levetid. Typisk er disse svovlforbindelser, svage oxidanter, såsom kuldioxid eller vand, eller yderligere kulstofkilder. Ikke desto mindre har alle disse muligheder deres ulemper.

"De nuværende løsninger kunne ikke væsentligt forbedre CO-baseret synteseproduktivitet. To-tre gange stigning i udbyttet var typisk for kuldioxid, mens svovltilsætning viste sig at være ineffektiv for den CO-baserede proces," kommenterede Ilya Novikov, publikationens hovedforfatter, der for nylig har forsvaret sin ph.d. afhandling om nanorørsyntese ved Skoltech.

"Vi betragtede brint som en mulig effektiv vækstfremmer. I tidligere værker blev det fundet, at dets introduktion i CO-atmosfæren kunne udløse en ekstra reaktion, der producerer kulstof ud over Boudouard-reaktionen (CO-disproportioneringen:CO + CO → C + CO ₂ )—CO-hydrogenering (CO + H₂ → C + H₂ O). Vi konkluderede, at det også kunne fungere i vores tilfælde."

Efter den grundige undersøgelse af brints effekt på SWCNT-synteseudbyttet samt egenskaberne af nanorørproduktet, fandt forfatterne en 15-fold stigning i synteseproduktiviteten ved 10 vol% koncentration af H₂ uden forringelse af nanorørfilmens strukturelle egenskaber og ydeevne som en gennemsigtig leder.

"Efter at have studeret mekanismerne involveret i vækst af nanorør ved optisk spektroskopi og elektronmikroskopi metoder og udført en detaljeret undersøgelse af termodynamikken i processen, konkluderede vi, at carbonmonoxidhydrogenering faktisk er ansvarlig for en så bemærkelsesværdig effekt," sagde professor Albert Nasibulin, der leder af Laboratoriet for Nanomaterialer hos Skoltech.

"Desuden, for at forklare dens indflydelse på processen i detaljer, undersøgte vi forskellige temperaturregimer for nanorørsyntese ud over varierende brintkoncentration," tilføjede Krasnikov.

"Uventet blev der observeret to forskellige fænomener:I lavtemperaturregimet forbedrer brint signifikant katalysatoraktivering (fraktionen af ​​jernpartikler, der er aktive til katalyse), og derved øger udbyttet, mens det i højtemperaturregimet øger nanorørvækst , hvilket resulterer i længere nanorør med højere ledningsevne af filmene."

"Således mener vi, at denne undersøgelse løser to vigtige problemer på én gang. På den ene side udvider en betydelig forbedring af synteseproduktiviteten anvendelserne af CO-baserede aerosol CVD-processer betydeligt og placerer denne metode tæt på industri-niveau nanorørproduktion. På på den anden side har vi i dette arbejde formået at opdage fundamentale mekanismer bag vækst af nanorør baseret på CO-disproportionering, hvilket burde være yderst nyttigt for en dybere forståelse af nanorørs CVD-syntese generelt," konkluderede Nasibulin.

Flere oplysninger: Ilya V. Novikov et al., Boosting CO-based syntese af enkeltvæggede kulstofnanorør med brint, Chemical Engineering Journal (2023). DOI:10.1016/j.cej.2023.146527

Journaloplysninger: Chemical Engineering Journal

Leveret af Skolkovo Institute of Science and Technology