Onderzoekers verdrievoudigen de opbrengst van koolstofnanobuisjes voor LED’s, zonnecellen en flexibele en transparante elektronica

Wetenschappers van Skoltech hebben een manier gevonden om de meest gebruikte technologie voor het produceren van enkelwandige koolstofnanobuisfilms te verbeteren – een veelbelovend materiaal voor zonnecellen, LED’s, flexibele en transparante elektronica, slim textiel, medische beeldvorming, detectoren voor giftige gassen, filtratiesystemen en meer. Door waterstofgas samen met koolmonoxide aan de reactiekamer toe te voegen, slaagde het team erin de opbrengst aan koolstofnanobuisjes bijna te verdrievoudigen in vergelijking met wanneer andere groeibevorderaars worden gebruikt, zonder dat dit ten koste gaat van de kwaliteit.

Tot nu toe was een lage opbrengst het knelpunt dat het potentieel van deze productietechnologie, die ook wel bekend staat om zijn hoge productkwaliteit, beperkt. De studie is gepubliceerd in de Tijdschrift voor chemische technologie.

Hoewel dat niet de manier is waarop ze in werkelijkheid worden gemaakt, zijn nanobuisjes conceptueel gezien een vorm van koolstof waarbij laagjes atomen in een honingraatstructuur – bekend als grafeen – naadloos in holle cilinders worden gerold.

Ze variëren in lengte, diameter en zogenaamde chiraliteit (hoe het honingraatpatroon “scheef” is), en ook of de buis enkelwandig is of andere, bredere buizen eromheen heeft, waardoor deze “meerwandig” is. De eigenschappen van koolstofnanobuisjes variëren sterk, afhankelijk van de bovengenoemde parameters. Chiraliteit regelt bijvoorbeeld hun elektrische geleidbaarheid. Koolstofnanobuisjes worden vervaardigd als poeder, dunne films, vezels en in andere vormen, afhankelijk van de toepassing waarvoor ze bedoeld zijn.

Vanwege hun uitstekende mechanische, elektrische, optische en thermische eigenschappen worden koolstofnanobuisjes gebruikt in diverse producten en technologieën, van scheurbestendige autobanden en composietmaterialen voor windturbinebladen tot flexibele touchscreens en lithium-ionbatterijcomponenten.

De belangrijkste toepassingen van enkelwandige koolstofnanobuisjes in de vorm van dunne films zijn in elektronische en optische apparaten, componenten en oplossingen, met name die bedoeld om flexibel, rekbaar, draagbaar en transparant te zijn. Daartoe behoren lasers, lichtgevende diodes en displays, zonnecellen, kabels, transistors, mechanische, chemische en lichtsensoren, gas- en vloeistoffiltratiesystemen, antistatische coatings en zelfs voertuigen voor medicijnafgifte.

De belangrijkste technologie voor het vervaardigen van films met enkelwandige koolstofnanobuisjes (SWCNT) – en ook de meeste andere vormen van koolstofnanobuisjes – staat bekend als chemische dampdepositie (CVD) en omvat verschillende technieken die variaties zijn op hetzelfde basisproces.

Onder dergelijke variaties wordt drijvende katalysator (aerosol) CVD gebruikt voor de productie van dunne films, omdat deze het mogelijk maakt deze in één stap te verkrijgen.

Bij deze methode worden gasvormige stromen van koolstofbron (koolstofgrondstof voor het kweken van nanobuisjes, zoals koolwaterstoffen, koolmonoxide, ethanol, enz.) en katalysatorvoorloper (doorgaans voorloper van ijzeren nanodeeltjes, bijvoorbeeld ferroceen) geïntroduceerd in de hoog- temperatuur reactor.

De hoge temperatuur ontleedt de voorloper in katalytische nanodeeltjes, gevolgd door de ontleding van de koolstofbron en de afzetting van koolstof op hun oppervlak, de vorming van een fullereen-halfrondachtig kapje en de groei van nanobuisjes. Bij de uitlaat van de reactor worden nanobuisjes tegelijkertijd gefilterd en vormen ze een ‘2D’-netwerk op het filteroppervlak: de dunne SWCNT-film.

“De keuze van de koolstofbron hangt af van de gewenste eigenschappen van nanobuisjes. Koolmonoxide biedt een hoge productkwaliteit die geschikt is voor optica- en elektronicatoepassingen, maar ten koste van een vrij bescheiden opbrengst”, zegt co-auteur van de studie, assistent-professor Dmitry Krasnikov van Skoltech.

Om dit probleem op te lossen, gebruiken onderzoekers doorgaans groeibevorderaars: aanvullende verbindingen in de CVD-reactor die de groei van nanobuisjes verhogen of de activering en/of levensduur van de katalysator verbeteren. Meestal zijn dit zwavelverbindingen, zwakke oxidatiemiddelen, zoals kooldioxide of water, of aanvullende koolstofbronnen. Toch hebben al deze opties hun nadelen.

“De huidige oplossingen konden de op CO gebaseerde syntheseproductiviteit niet significant verbeteren. Een twee-, drievoudige toename van de opbrengst was typisch voor kooldioxide, terwijl de toevoeging van zwavel ineffectief bleek te zijn voor het op CO gebaseerde proces”, aldus Ilya Novikov. de hoofdauteur van de publicatie die onlangs zijn Ph.D. heeft verdedigd. proefschrift gewijd aan de synthese van nanobuisjes bij Skoltech.

“We hebben waterstof beschouwd als een mogelijk effectieve groeibevorderaar. In eerdere onderzoeken werd ontdekt dat de introductie ervan in de CO-atmosfeer een extra reactie zou kunnen veroorzaken die koolstof produceert naast de Boudouard-reactie (de CO-disproportionering: CO + CO → C + CO₂)—CO-hydrogenering (CO + H₂ → C + H₂O). We kwamen tot de conclusie dat het in ons geval ook zou kunnen werken.”

Na grondig onderzoek naar het effect van waterstof op de SWCNT-syntheseopbrengst en naar de eigenschappen van het nanobuisproduct, vonden de auteurs een 15-voudige toename in de syntheseproductiviteit bij een concentratie van 10 vol% H.₂ zonder verslechtering van de structurele eigenschappen en prestaties van nanobuisfilms als transparante geleider.

“Na bestudering van de mechanismen die betrokken zijn bij de groei van nanobuisjes door middel van optische spectroscopie en elektronenmicroscopiemethoden en nadat we een gedetailleerde studie van de thermodynamica van het proces hadden uitgevoerd, kwamen we tot de conclusie dat de waterstofhydrogenering van koolmonoxide inderdaad verantwoordelijk is voor zo’n opmerkelijk effect”, zegt professor Albert Nasibulin. hoofd van het Laboratorium voor Nanomaterialen bij Skoltech.

“Om de invloed ervan op het proces in detail uit te leggen, hebben we bovendien verschillende temperatuurregimes voor de synthese van nanobuisjes onderzocht, naast de variërende waterstofconcentratie”, voegde Krasnikov eraan toe.

“Onverwachts werden twee verschillende fenomenen waargenomen: bij lage temperaturen verbetert waterstof de katalysatoractivatie (de fractie ijzerdeeltjes die actief zijn voor katalyse) aanzienlijk, waardoor de opbrengst wordt verhoogd, terwijl het bij hoge temperaturen de groei van nanobuisjes verbetert. , resulterend in langere nanobuisjes met een hogere geleidbaarheid van de films.”

“Wij zijn dus van mening dat deze studie twee belangrijke problemen tegelijk oplost. Aan de ene kant breidt een aanzienlijke verbetering van de syntheseproductiviteit de toepassingen van op CO gebaseerde aërosol-CVD-processen aanzienlijk uit en brengt deze methode dicht bij de productie van nanobuisjes op industrieniveau.” Aan de andere kant zijn we er in dit werk in geslaagd om fundamentele mechanismen achter de groei van nanobuisjes te ontdekken op basis van CO-disproportionering, wat uiterst nuttig zou moeten zijn voor een dieper begrip van de CVD-synthese van nanobuisjes in het algemeen, “concludeerde Nasibulin.