De synthesemethode maakt koolstofnanodraden met een kleine diameter en hoge dichtheid mogelijk

Carbynes, of lange lineaire koolstofketens (LLCC’s), hebben de afgelopen jaren veel aandacht gekregen vanwege hun voorspelde uitzonderlijke eigenschappen. Experimenteel waren hun eigenschappen echter moeilijk te onderzoeken vanwege hun lage stabiliteit. Om de stabiliteit te verbeteren, is het noodzakelijk om LLCC’s in te kapselen in koolstofnanobuisjes met een kleine diameter (CNT’s).

Nu hebben onderzoekers een nieuwe methode ontwikkeld om enkelwandige koolstofnanodraden met een kleine diameter (SWCNW’s) te synthetiseren, met LLCC’s met hoge dichtheid ingekapseld in enkelwandige CNT’s. Hun onderzoek is gepubliceerd in Chemische natuurkundebrieven.

Koolstof staat erom bekend dat het in veel verschillende fysieke vormen of allotropen voorkomt. Het verschijnt in driedimensionale (3D) vormen, zoals grafiet en diamant, in tweedimensionale (2D) structuren, zoals grafeen, of zelfs in lineaire koolstofketens (LCC’s).

Onder hen hebben carbines, extreem lange ketens van enkele koolstofatomen, ook bekend als lange LCC’s (LLCC’s), veel aandacht getrokken onder onderzoekers. Er wordt voorspeld dat ze een uitstekende theoretische mechanische sterkte en thermische geleidbaarheid hebben, waardoor ze veelbelovend zijn voor een verscheidenheid aan toepassingen op gebieden zoals nanotechnologie en energieopslag.

Experimenteel hebben onderzoekers echter moeite gehad om de eigenschappen van LLCC’s in detail te bestuderen. Dit komt omdat ze onstabiel zijn onder omgevingsomstandigheden, vanwege de hoge reactiviteit van blootgestelde koolstofatomen.

Een beproefde manier om dit probleem aan te pakken is het inbrengen van LLCC’s in koolstofnanobuisjes (CNT’s), waardoor zogenaamde koolstofnanodraden (CNW’s) ontstaan.

De afgelopen tien jaar is een veelbelovende methode ontwikkeld voor het synthetiseren van CNW’s, waarbij kleine, op koolstof gebaseerde moleculen die in CNT’s zijn opgesloten, bij hoge temperaturen worden verwarmd. LLCC’s zijn het meest stabiel in enkelwandige koolstofnanobuisjes (SWCNT’s) met een diameter van 0,7–0,8 nanometer (nm). Maar de meeste eerdere pogingen hebben enkelwandige CNW’s (SWCNW’s) opgeleverd met diameters groter dan 0,9 nm.

Om deze uitdaging aan te gaan, heeft een onderzoeksteam onder leiding van professor Takahiro Maruyama van de afdeling Toegepaste Scheikunde van de Meijo Universiteit, Japan, een zeer efficiënte methode ontwikkeld voor het synthetiseren van SWCNW’s met een kleine diameter en een hoge dichtheid aan LLCC’s.

“Onlangs is aangetoond dat het door het inkapselen van polyyne in SWCNT’s mogelijk is om koolstofnanodraden met een kleine diameter te realiseren”, legt prof. Maruyama uit.

“Hierop voortbouwend hebben we enkelwandige koolstofnanodraden met nog kleinere diameters gesynthetiseerd, terwijl we ook aanzienlijk hogere LLCC-concentraties hebben bereikt.”

Om de nanodraden te maken, mengde het team eerst SWCNT’s met een open uiteinde met een oplossing van n-hexaan, die gezuiverde polyynmoleculen in verschillende concentraties bevatte. Het mengsel werd vervolgens gedurende 24 uur in een hogedrukreactor verwarmd tot een temperatuur van 80°C, waardoor de polyynmoleculen de SWCNT’s konden binnendringen.

De resulterende met polyyne gevulde SWCNT’s (polyyne@SWCNTs) werden vervolgens gedurende vier uur onder een hoog vacuüm tot 700°C verwarmd, waardoor ze werden omgezet in LLCCs@SWCNTs, of met andere woorden, de SWCNW’s.

Het team bevestigde de efficiënte inkapseling van polyynmoleculen in SWCNT’s in de eerste stap en de daaropvolgende vorming van SWCNW’s met behulp van Raman-spectroscopie.

Experimenten onthulden ook dat de concentratie LLCC’s in de SWCNW’s toenam met de concentratie polyynmoleculen in de initiële n-hexaanoplossing. Door deze concentratie te optimaliseren, konden de onderzoekers SWCNW’s synthetiseren met een recordhoge LLCC-dichtheid.

Met name hadden de resulterende SWCNW-monsters diameters van slechts 0,73-0,77 nm, veel kleiner dan die gerapporteerd in eerdere onderzoeken. Een dergelijke kleine diameter zou kunnen worden bereikt vanwege de kleine omvang van polyynmoleculen.

Zoals prof. Maruyama uitlegt: “In onze experimenten werden polyynmoleculen met een slanke lineaire vorm gebruikt als koolstofbron, die een diameter vertoonden die bijna dezelfde was als de Van der Waals-diameter van koolstofatomen. Eerdere studies gebruikten daarentegen relatief grotere precursormoleculen, resulterend in SWCNW’s met diameters groter dan 0,9 nm.”

Bovendien bereikte de L-band tot G-bandverhouding in het Raman-spectrum, een meting die de hoeveelheid en dichtheid van LLCC’s weerspiegelt, 3,6 voor de geoptimaliseerde monsters, de hoogste waarde die tot nu toe is gerapporteerd voor dergelijke SWCNW’s met een kleine diameter.

“Onze methode voor het synthetiseren van SWCNW’s met een kleine diameter met hoge dichtheid zal onderzoekers helpen de exacte eigenschappen van LLCC’s te onderzoeken”, voegt prof. Maruyama toe. “Dit kan leiden tot doorbraken op veel gebieden, variërend van nanotechnologie tot sensoren en energieopslag.”

Over het geheel genomen betekent dit werk een grote stap voorwaarts voor het LLCC-onderzoek, waardoor onderzoekers dichter bij het ontsluiten van het volledige potentieel van lange lineaire koolstofketens komen.