탄소 나노튜브는 배터리 및 정수기부터 자동차 부품 및 스포츠 용품에 이르기까지 모든 것에 혁명을 일으킬 수 있습니다: 로렌스 리버모어 국립 연구소의 업데이트

플라톤에 의해 재발행

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가열 단계(빨간색 빛) 위에 있는 실리콘 웨이퍼의 촉매 나노입자(금색)에서 수직으로 정렬된 탄소 나노튜브 성장. 아세틸렌(검은색 분자)이 기상을 통해 촉매 부위로 확산되면 냉벽 샤워헤드 반응기의 성장 속도가 결정됩니다. 출처: Adam Samuel Connell/LLNL의 이미지

과학자들은 에너지부 로렌스 리버모어 국립 연구소(LLNL) 의 생산을 확대하고 있습니다. 수직 정렬 단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT). 이 놀라운 재료는 충전식 배터리, 스포츠 용품 및 자동차 부품에서 보트 선체 및 정수 필터에 이르기까지 다양한 상용 제품을 혁신합니다. 이 연구는 저널에 최근 게재되었습니다. 탄소.

오늘날 대부분의 탄소 나노튜브(CNT) 생산은 벌크 복합 재료 및 박막에 사용되는 조직화되지 않은 CNT 구조입니다. 그러나 많은 용도에서 수직으로 정렬된 숲과 같은 조직화된 CNT 아키텍처는 거시적 시스템에서 개별 CNT의 특성을 활용하는 데 중요한 이점을 제공합니다.

LLNL 과학자이자 수석 저자인 Francesco Fornasiero는 “수많은 최첨단 장치를 새로운 상용 응용 프로그램에 빠르게 배치하려면 수직 정렬 탄소 나노튜브의 대규모 합성이 필요합니다. "이러한 요구를 해결하기 위해 우리는 기체 탄소 전구체의 벌크 확산에 의해 지배되는 성장 체제에서 웨이퍼 규모로 생산된 단일벽 CNT의 구조적 특성이 광범위한 공정 조건에서 현저하게 변하지 않는다는 것을 입증했습니다."

탄소-나노튜브-성장-촉매-나노입자

연구진은 전구체 농도(초기 탄소)를 30배까지 증가시키면 수직으로 배향된 SWCNT가 매우 높은 품질을 유지한다는 것을 발견했습니다.² ~ 180cm², 20 ~ 790 Mbar의 성장 압력 및 최대 8배의 가스 유량.

LLNL 과학자들은 전구체 확산을 돕기 위해 더 가벼운 수조 가스를 사용하여 성장 동역학이 가속화될 수 있음을 보여주는 동역학 모델을 도출했습니다. 또한 더 높은 성장 압력에서 점점 더 중요해지는 부산물 형성은 무수소 성장 환경을 사용함으로써 크게 완화될 수 있습니다. 이 모델은 또한 CNT 성장 레시피와 유체 역학 조건을 적절하게 선택하여 6% 이상의 탄소 변환 효율로 생산 처리량이 90배 증가할 수 있음을 나타냅니다.

"광범위한 합성 조건에서 CNT 숲의 현저하게 보존된 구조와 함께 이러한 모델 예측은 벌크 확산 제한 성장 체계가 확장 중에 수직으로 정렬된 CNT 기반 장치 성능의 보존을 용이하게 할 수 있음을 시사합니다."라고 말했습니다. LLNL 과학자이자 제XNUMX저자인 박세진.

연구팀은 간단한 CNT 성장 동역학 모델에 의해 정량적으로 설명되는 성장 영역에서 작동하면 프로세스 최적화를 촉진하고 최첨단 수직 정렬 CNT 응용 프로그램을 보다 빠르게 배포할 수 있다고 결론지었습니다.

응용 분야에는 리튬 이온 배터리, 슈퍼 커패시터, 정수, 열 인터페이스, 통기성 직물 및 센서가 포함됩니다.

참조: "Synthesis of wafer-scale SWCNT forests with 현저한 불변 구조적 특성 in a bulk-diffusion-controlled kinetic regime" by Sei Jin Park, Kathleen Moyer-Vanderburgh, Steven F. Buchsbaum, Eric R. Meshot, Melinda L. Jue, Kuang Jen Wu 및 Francesco Fornasiero, 29년 2022월 XNUMX일, Carbon.
DOI: 10.1016/j.carbon.2022.09.068

다른 LLNL 저자로는 Kathleen Moyer-Vanderburgh, Steven Buchsbaum, Eric Meshot, Melinda Jue 및 Kuang Jen Wu가 있습니다. 이 작업은 국방 위협 감소국의 화학 및 생물학 기술 부서에서 자금을 지원합니다.

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