Los nanotubos de carbono podrían revolucionarlo todo, desde baterías y purificadores de agua hasta autopartes y artículos deportivos: actualización del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore

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Nanotubos de carbono alineados verticalmente que crecen a partir de nanopartículas catalíticas (color dorado) en una oblea de silicio encima de una etapa de calentamiento (resplandor rojo). La difusión de acetileno (moléculas negras) a través de la fase gaseosa a los sitios catalíticos determina la tasa de crecimiento en un reactor de cabezal de ducha de pared fría. Crédito: Imagen de Adam Samuel Connell/LLNL

Científicos en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore del Departamento de Energía (LLNL) están aumentando la producción de nanotubos de carbono de pared simple alineados verticalmente (SWCNT). Este increíble material podría revolucionar diversos productos comerciales que van desde baterías recargables, artículos deportivos y piezas de automóviles hasta cascos de embarcaciones y filtros de agua. La investigación fue publicada recientemente en la revista Carbono.

La mayor parte de la producción actual de nanotubos de carbono (CNT) son arquitecturas CNT no organizadas que se utilizan en materiales compuestos a granel y películas delgadas. Sin embargo, para muchos usos, las arquitecturas CNT organizadas, como los bosques alineados verticalmente, brindan ventajas críticas para explotar las propiedades de los CNT individuales en sistemas macroscópicos.

"Se requiere una síntesis robusta de nanotubos de carbono alineados verticalmente a gran escala para acelerar el despliegue de numerosos dispositivos de vanguardia para aplicaciones comerciales emergentes", dijo el científico y autor principal del LLNL, Francesco Fornasiero. "Para abordar esta necesidad, demostramos que las características estructurales de los CNT de pared simple producidos a escala de oblea en un régimen de crecimiento dominado por la difusión masiva del precursor de carbono gaseoso son notablemente invariantes en una amplia gama de condiciones de proceso".

Nanotubos de carbono que crecen a partir de nanopartículas catalíticas

El equipo de investigadores descubrió que los SWCNT orientados verticalmente retuvieron una calidad muy alta al aumentar la concentración del precursor (el carbono inicial) hasta 30 veces, el área del sustrato del catalizador de 1 cm² a 180cm², presión de crecimiento de 20 a 790 Mbar y caudales de gas de hasta 8 veces.

Los científicos del LLNL derivaron un modelo cinético que muestra que la cinética de crecimiento se puede acelerar mediante el uso de un gas de baño más ligero para ayudar a la difusión de precursores. Además, la formación de subproductos, que se vuelve progresivamente más importante a mayor presión de crecimiento, podría mitigarse en gran medida mediante el uso de un entorno de crecimiento libre de hidrógeno. El modelo también indica que el rendimiento de producción podría aumentarse 6 veces con una eficiencia de conversión de carbono superior al 90% con la elección adecuada de la receta de crecimiento de CNT y las condiciones de dinámica de fluidos.

"Estas proyecciones del modelo, junto con la estructura notablemente conservada de los bosques de CNT en una amplia gama de condiciones de síntesis, sugieren que un régimen de crecimiento limitado por difusión masiva puede facilitar la preservación del rendimiento del dispositivo basado en CNT alineado verticalmente durante la ampliación", dijo Científico de LLNL y primer autor Sei Jin Park.

El equipo concluyó que operar en un régimen de crecimiento que se describe cuantitativamente mediante un modelo de cinética de crecimiento de CNT simple puede facilitar la optimización del proceso y conducir a una implementación más rápida de aplicaciones de CNT alineadas verticalmente de vanguardia.

Las aplicaciones incluyen baterías de iones de litio, supercondensadores, purificación de agua, interfaces térmicas, tejidos transpirables y sensores.

Referencia: "Síntesis de bosques SWCNT a escala de oblea con propiedades estructurales notablemente invariantes en un régimen cinético controlado por difusión masiva" por Sei Jin Park, Kathleen Moyer-Vanderburgh, Steven F. Buchsbaum, Eric R. Meshot, Melinda L. Jue, Kuang Jen Wu y Francesco Fornasiero, 29 de septiembre de 2022, Carbon.
DOI: 10.1016/j.carbon.2022.09.068

Otros autores de LLNL son Kathleen Moyer-Vanderburgh, Steven Buchsbaum, Eric Meshot, Melinda Jue y Kuang Jen Wu. El trabajo está financiado por el Departamento de Tecnologías Químicas y Biológicas de la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa.

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