Nanotubos de carbono podem revolucionar tudo, desde baterias e purificadores de água até peças automotivas e artigos esportivos: atualização do Laboratório Nacional Lawrence Livermore

Republicado por Platão

seguidores: 0

Nanotubos de carbono alinhados verticalmente crescendo a partir de nanopartículas catalíticas (cor dourada) em um wafer de silício no topo de um estágio de aquecimento (brilho vermelho). A difusão de acetileno (moléculas pretas) através da fase gasosa para os sítios catalíticos determina a taxa de crescimento em um reator de chuveiro de parede fria. Crédito: Imagem de Adam Samuel Connell/LLNL

Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore do Departamento de Energia (LLNL) estão aumentando a produção de Nanotubos de carbono de parede simples alinhados verticalmente (SWCNT). Este material incrível poderia revolucionam diversos produtos comerciais, desde baterias recarregáveis, artigos esportivos e peças automotivas até cascos de barcos e filtros de água. A pesquisa foi publicada recentemente na revista Carbono.

A maior parte da produção de nanotubos de carbono (CNT) hoje são arquiteturas CNT desorganizadas que são usadas em materiais compostos a granel e filmes finos. No entanto, para muitos usos, arquiteturas CNT organizadas, como florestas alinhadas verticalmente, fornecem vantagens críticas para explorar as propriedades de CNTs individuais em sistemas macroscópicos.

“É necessária uma síntese robusta de nanotubos de carbono alinhados verticalmente em grande escala para acelerar a implantação de vários dispositivos de ponta para aplicações comerciais emergentes”, disse o cientista e principal autor do LLNL, Francesco Fornasiero. “Para atender a essa necessidade, demonstramos que as características estruturais dos CNTs de parede única produzidos em escala de wafer em um regime de crescimento dominado pela difusão em massa do precursor de carbono gasoso são notavelmente invariantes em uma ampla gama de condições de processo.”

Nanotubos de carbono crescendo a partir de nanopartículas catalíticas

A equipe de pesquisadores descobriu que os SWCNTs orientados verticalmente mantiveram uma qualidade muito alta ao aumentar a concentração do precursor (o carbono inicial) em até 30 vezes, a área do substrato do catalisador de 1 cm² a 180 cm², pressão de crescimento de 20 a 790 Mbar e vazões de gás de até 8 vezes.

Os cientistas do LLNL derivaram um modelo cinético que mostra que a cinética de crescimento pode ser acelerada usando um gás de banho mais leve para auxiliar na difusão do precursor. Além disso, a formação de subprodutos, que se torna progressivamente mais importante em pressões de crescimento mais altas, pode ser bastante mitigada usando um ambiente de crescimento livre de hidrogênio. O modelo também indica que o rendimento da produção pode ser aumentado em 6 vezes com eficiência de conversão de carbono superior a 90% com a escolha apropriada da receita de crescimento CNT e condições de dinâmica de fluidos.

“Essas projeções de modelo, juntamente com a estrutura notavelmente conservada das florestas CNT em uma ampla gama de condições de síntese, sugerem que um regime de crescimento limitado por difusão em massa pode facilitar a preservação do desempenho do dispositivo baseado em CNT alinhado verticalmente durante o aumento de escala”, disse Cientista do LLNL e primeiro autor Sei Jin Park.

A equipe concluiu que operar em um regime de crescimento que é descrito quantitativamente por um modelo simples de cinética de crescimento CNT pode facilitar a otimização do processo e levar a uma implantação mais rápida de aplicativos CNT alinhados verticalmente de ponta.

As aplicações incluem baterias de íons de lítio, supercapacitores, purificação de água, interfaces térmicas, tecidos respiráveis e sensores.

Referência: “Síntese de florestas SWCNT em escala de wafer com propriedades estruturais notavelmente invariantes em um regime cinético controlado por difusão em massa” por Sei Jin Park, Kathleen Moyer-Vanderburgh, Steven F. Buchsbaum, Eric R. Meshot, Melinda L. Jue, Kuang Jen Wu e Francesco Fornasiero, 29 de setembro de 2022, Carbon.
DOI: 10.1016/j.carbono.2022.09.068

Outros autores do LLNL são Kathleen Moyer-Vanderburgh, Steven Buchsbaum, Eric Meshot, Melinda Jue e Kuang Jen Wu. O trabalho é financiado pelo Departamento de Tecnologias Químicas e Biológicas da Agência de Redução de Ameaças de Defesa.

.wordads-ad-wrapper { exibição:nenhum; fonte: normal 11px Arial, sem serifa; espaçamento entre letras: 1px; decoração de texto: nenhum; largura: 100%; margem: 25px automático; preenchimento: 0; } .wordads-ad-title { margin-bottom: 5px; } .wordads-ad-controls { margin-top: 5px; alinhamento de texto: direita; } .wordads-ad-controls span { cursor: ponteiro; } .wordads-ad { largura: ajuste-conteúdo; margem: 0 automático; }