Os cientistas da Skoltech encontraram uma maneira de melhorar a tecnologia mais amplamente utilizada para a produção de filmes de nanotubos de carbono de parede única – um material promissor para células solares, LEDs, eletrônicos flexíveis e transparentes, têxteis inteligentes, imagens médicas, detectores de gases tóxicos, sistemas de filtragem e mais. Ao adicionar gás hidrogênio junto com monóxido de carbono à câmara de reação, a equipe conseguiu quase triplicar o rendimento dos nanotubos de carbono em comparação com outros promotores de crescimento, sem comprometer a qualidade.



Até agora, o baixo rendimento tem sido o gargalo que limita o potencial dessa tecnologia de fabricação, também conhecida pela alta qualidade do produto. O estudo foi publicado no Chemical Engineering Journal .

Embora não seja assim que são realmente feitos, conceitualmente, os nanotubos são uma forma de carbono onde folhas de átomos em um arranjo de favo de mel – conhecido como grafeno – são perfeitamente enroladas em cilindros ocos.

Eles variam em comprimento, diâmetro e na chamada quiralidade (como o padrão do favo de mel é "inclinado"), bem como se o tubo tem parede única ou tem outros tubos mais largos ao seu redor, tornando-o "de paredes múltiplas". As propriedades dos nanotubos de carbono variam amplamente com base nos parâmetros acima. A quiralidade, por exemplo, controla sua condutividade elétrica. Os nanotubos de carbono são fabricados na forma de pó, filmes finos, fibras e outras formas, dependendo da aplicação a que se destinam.

Devido às suas excelentes propriedades mecânicas, elétricas, ópticas e térmicas, os nanotubos de carbono são usados ​​em diversos produtos e tecnologias, desde pneus de automóveis resistentes a rasgos e materiais compósitos para pás de turbinas eólicas até telas sensíveis ao toque flexíveis e componentes de baterias de íons de lítio.

As principais aplicações dos nanotubos de carbono de parede única na forma de filmes finos são em dispositivos, componentes e soluções eletrônicos e ópticos, particularmente aqueles destinados a serem flexíveis, extensíveis, vestíveis e transparentes. Entre eles estão lasers, diodos emissores de luz e displays, células solares, cabos, transistores, sensores mecânicos, químicos e de luz, sistemas de filtragem de gases e líquidos, revestimentos antiestáticos e até veículos de distribuição de medicamentos.

A principal tecnologia para a fabricação de filmes de nanotubos de carbono de parede única (SWCNT) - e na verdade a maioria das outras formas de nanotubos de carbono - é conhecida como deposição química de vapor (CVD) e abrange diversas técnicas que são variações do mesmo processo básico.

Dentre essas variações, o catalisador flutuante (aerossol) CVD é utilizado para a produção de filmes finos, pois permite obtê-los em uma única etapa.

Neste método, fluxos gasosos de fonte de carbono (matéria-prima de carbono para o cultivo de nanotubos, como hidrocarbonetos, monóxido de carbono, etanol, etc.) e precursor de catalisador (normalmente, precursor de nanopartículas de ferro - por exemplo, ferroceno) são introduzidos no alto reator de temperatura.

A alta temperatura decompõe o precursor em nanopartículas catalíticas seguida pela decomposição da fonte de carbono e deposição de carbono em sua superfície, a formação de uma capa semelhante a um hemisfério de fulereno e o crescimento de nanotubos. Na saída do reator, os nanotubos são filtrados simultaneamente formando uma rede “2D” na superfície do filtro – o filme fino SWCNT.

"A escolha da fonte de carbono depende das propriedades desejadas dos nanotubos. O monóxido de carbono fornece produtos de alta qualidade adequados para aplicações ópticas e eletrônicas, mas ao custo de um rendimento bastante modesto, "disse o co-autor do estudo, professor assistente Dmitry Krasnikov da Skoltech.

Para resolver este problema, os pesquisadores normalmente utilizam promotores de crescimento – compostos adicionais no reator CVD que aumentam o crescimento de nanotubos ou melhoram a ativação e/ou vida útil do catalisador. Normalmente, estes são compostos de enxofre, oxidantes fracos, como dióxido de carbono ou água, ou fontes adicionais de carbono. No entanto, todas estas opções têm as suas desvantagens.

"As soluções atuais não conseguiram melhorar significativamente a produtividade da síntese baseada em CO. O aumento de duas, três vezes no rendimento era típico para o dióxido de carbono, enquanto a adição de enxofre se mostrou ineficaz para o processo baseado em CO", comentou Ilya Novikov, o principal autor da publicação que defendeu recentemente seu doutorado. tese dedicada à síntese de nanotubos na Skoltech.

“Consideramos o hidrogênio como um possível promotor de crescimento eficaz. Em trabalhos anteriores, descobriu-se que sua introdução na atmosfera de CO poderia desencadear uma reação extra de produção de carbono além da reação de Boudouard (a desproporção de CO:CO + CO → C + CO ₂ )—Hidrogenação de CO (CO + H₂ → C + H₂ Ó). Concluímos que poderia funcionar no nosso caso também."

Após a investigação completa do efeito do hidrogênio no rendimento da síntese de SWCNT, bem como nas propriedades do produto do nanotubo, os autores encontraram um aumento de 15 vezes na produtividade da síntese na concentração de 10% em volume de H₂ sem deterioração das propriedades estruturais do filme de nanotubos e desempenho como condutor transparente.

"Tendo estudado os mecanismos envolvidos no crescimento dos nanotubos por métodos de espectroscopia óptica e microscopia eletrônica e realizado um estudo detalhado da termodinâmica do processo, concluímos que a hidrogenação do monóxido de carbono é de fato responsável por um efeito tão notável", disse o professor Albert Nasibulin, o chefe do Laboratório de Nanomateriais da Skoltech.

"Além disso, para explicar detalhadamente sua influência no processo, examinamos diferentes regimes de temperatura para a síntese de nanotubos, além de variações na concentração de hidrogênio", acrescentou Krasnikov.

"Inesperadamente, dois fenômenos diferentes foram observados:no regime de baixa temperatura, o hidrogênio melhora significativamente a ativação do catalisador (a fração de partículas de ferro ativas para catálise), aumentando assim o rendimento, enquanto, no regime de alta temperatura, aumenta o crescimento de nanotubos , resultando em nanotubos mais longos com maior condutividade dos filmes."

"Assim, acreditamos que este estudo resolve dois problemas importantes ao mesmo tempo. Por um lado, uma melhoria considerável na produtividade de síntese amplia significativamente as aplicações de processos CVD em aerossol baseados em CO e coloca este método próximo da produção de nanotubos em nível industrial. Em por outro lado, neste trabalho, conseguimos descobrir mecanismos fundamentais por trás do crescimento de nanotubos com base na desproporção de CO, o que deve ser extremamente útil para uma compreensão mais profunda da síntese de CVD de nanotubos em geral", concluiu Nasibulin.

Mais informações: Ilya V. Novikov et al, Impulsionando a síntese baseada em CO de nanotubos de carbono de parede única com hidrogênio, Chemical Engineering Journal (2023). DOI:10.1016/j.cej.2023.146527
Informações do diário: Jornal de Engenharia Química

Fornecido pelo Instituto Skolkovo de Ciência e Tecnologia