Opschalen van de productie van verticaal uitgelijnde, enkelwandige koolstofnanobuisjes

Wetenschappers van Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) schalen de productie op van verticaal uitgelijnde enkelwandige koolstofnanobuizen (SWCNT) die een revolutie teweeg kunnen brengen in diverse commerciële producten, variërend van oplaadbare batterijen, auto-onderdelen en sportartikelen tot bootrompen en waterfilters. Het onderzoek verschijnt in het tijdschrift Koolstof.

De meeste CNT-productie wordt tegenwoordig gebruikt in bulkcomposietmaterialen en dunne films, die afhankelijk zijn van ongeorganiseerde CNT-architecturen. Voor veel toepassingen bieden georganiseerde CNT-architecturen zoals verticaal uitgelijnde bossen belangrijke voordelen voor het benutten van de eigenschappen van individuele CNT’s in macroscopische systemen.

“Een robuuste synthese van verticaal uitgelijnde koolstofnanobuizen op grote schaal is vereist om de inzet van tal van geavanceerde apparaten voor opkomende commerciële toepassingen te versnellen”, zegt LLNL-wetenschapper en hoofdauteur Francesco Fornasiero. “Om aan deze behoefte te voldoen, hebben we aangetoond dat de structurele kenmerken van enkelwandige CNT’s die op wafelschaal worden geproduceerd in een groeiregime dat wordt gedomineerd door bulkdiffusie van de gasvormige koolstofprecursor opmerkelijk onveranderlijk zijn over een breed scala aan procesomstandigheden.”

Het team ontdekte dat de verticaal georiënteerde SWCNT’s een zeer hoge kwaliteit behielden bij het verhogen van de precursorconcentratie (de initiële koolstof) tot 30-voudig, het katalysatorsubstraatoppervlak van 1 cm² tot 180 cm²groeidruk van 20 tot 790 Mbar en gasstroomsnelheden tot achtvoudig.

Wetenschappers van LLNL hebben een kinetiekmodel afgeleid dat aantoont dat de groeikinetiek kan worden versneld door een lichter badgas te gebruiken om de diffusie van de precursor te bevorderen, en dat de vorming van bijproducten, die steeds belangrijker wordt bij hogere groeidruk, sterk kan worden verminderd door een waterstofvrije groei omgeving. Het model geeft ook aan dat een juiste keuze van het CNT-groeirecept en de vloeistofdynamische omstandigheden de productiedoorvoer met een factor 6 kunnen verhogen en de koolstofconversie-efficiëntie tot meer dan 90%.

“Deze modelprojecties, samen met de opmerkelijk geconserveerde structuur van de CNT-bossen over een breed scala van syntheseomstandigheden, suggereren dat een groeiregime met beperkte verspreiding in bulk het behoud van verticaal uitgelijnde CNT-gebaseerde apparaatprestaties tijdens het opschalen kan vergemakkelijken,” zei LLNL-wetenschapper en eerste auteur Sei Jin Park.

Het team concludeerde dat het werken in een groeiregime dat kwantitatief wordt beschreven door een eenvoudig CNT-groeikinetiekmodel, procesoptimalisatie kan vergemakkelijken en kan leiden tot een snellere inzet van geavanceerde verticaal uitgelijnde CNT-toepassingen.