Compte tenu de leur taille, résistance et propriétés électriques, nanotubes de carbone — minuscules, cylindres creux faits d'atomes de carbone - prometteurs pour une gamme d'applications en électronique, médecine et d'autres domaines. Malgré le développement industriel des nanotubes ces dernières années, cependant, on sait très peu de choses sur leur formation ou sur les impacts environnementaux de leur fabrication.

Il s'avère qu'un procédé couramment utilisé pour produire des nanotubes de carbone, ou CNT, peut libérer plusieurs centaines de tonnes de produits chimiques, y compris les gaz à effet de serre et les polluants atmosphériques dangereux, dans l'air chaque année. Dans un article publié la semaine dernière sur le ACS Nano site Internet, les chercheurs rapportent que dans les expériences, la suppression d'une étape de ce processus - une étape qui implique le chauffage de gaz à base de carbone et l'ajout d'« ingrédients » réactifs clés - a réduit d'au moins dix fois les émissions de sous-produits nocifs et, dans certains cas, par un facteur de 100. Il a également réduit de moitié la quantité d'énergie utilisée dans le processus.

« Nous avons pu faire tout cela et avoir toujours une bonne croissance du CNT, " dit Désirée Plata, qui a dirigé la recherche entre 2007 et 2009 en tant que doctorant dans le programme conjoint du MIT avec la Woods Hole Oceanographic Institution. Aujourd'hui professeur assistant invité dans les départements d'aéronautique et d'astronautique et de génie civil et environnemental (CEE) du MIT, Plata a collaboré à l'article avec plusieurs chercheurs du MIT et de l'Université du Michigan, dont Philip Gschwend, Professeur Ford d'ingénierie en CEE, et John Hart, professeur de génie mécanique à l'Université du Michigan. L'étude fait partie d'un effort à long terme visant à changer l'approche du développement des matériaux afin que les chimistes de l'environnement travaillent avec la jeune industrie des NTC pour développer des méthodes permettant de prévenir ou de limiter les conséquences environnementales indésirables.

Dans leur étude, Plata et ses collègues ont analysé un processus de fabrication commun de NTC connu sous le nom de dépôt chimique en phase vapeur catalytique. Dans cette méthode, les industriels associent l'hydrogène à un « gaz de départ, " comme le méthane, monoxyde de carbone ou d'éthylène. Ils chauffent ensuite l'ensemble dans un réacteur qui contient un catalyseur métallique comme le nickel ou le fer, qui forme alors des NTC. Le problème est qu'une fois les NTC formés, les composés n'ayant pas réagi (jusqu'à 97 pour cent de la matière première initiale) sont souvent libérés dans l'air.

Éteindre le chauffage

Dans un réacteur de laboratoire sur mesure, les chercheurs ont chauffé de l'hydrogène et de l'éthylène, qui est couramment utilisé dans la fabrication de gros volumes de NTC, puis livré à un catalyseur métallique. Ils ont découvert que plus de 40 composés se sont formés, y compris les gaz à effet de serre comme le méthane et les polluants atmosphériques toxiques comme le benzène.

Les chercheurs soupçonnaient que tous ces composés n'étaient pas essentiels à la culture des NTC, et ils savaient que le chauffage du gaz de base joue un rôle essentiel dans la création des composés dangereux. Ils ont donc combiné de l'éthylène et de l'hydrogène non chauffés avec plusieurs des 40 composés, un par un, pour voir quelle combinaison de composés a conduit à la meilleure croissance. Ils ont observé que certains alcynes, ou des molécules qui ont au moins deux atomes de carbone collés ensemble avec trois liaisons distinctes, produit la meilleure croissance, tandis que d'autres composés qui sont des sous-produits indésirables, comme le méthane et le benzène, n'a pas.

Plata et ses collègues ont réussi à réduire considérablement les émissions nocives et la consommation d'énergie en empiétant sur des alcynes à température ambiante, avec de l'éthylène et de l'hydrogène, directement sur le catalyseur métallique, sans chaleur. Ils ont également appris qu'ils pouvaient réduire la quantité d'éthylène et d'hydrogène utilisée d'environ 20 et 40 pour cent, respectivement, tout en atteignant le même taux et la même qualité de croissance des CNT. Plata dit que même si les résultats des expériences de laboratoire sont difficiles à généraliser, sur un marché qui devrait atteindre plusieurs milliards de dollars d'ici quelques années, ces changements pourraient se traduire par des « économies de coûts importantes » pour les fabricants.

Réaction de l'industrie

Bien qu'il soit trop tôt pour que les fabricants adoptent la méthode présentée dans le document, David Lashmore, vice-président et directeur de la technologie de Concord, Technologies Nanocomp basées à N.H., dit que la méthode est quelque chose que son entreprise est prête à essayer alors qu'elle cherche des moyens de minimiser les effets environnementaux de son processus de production. « Cela nous intéresse beaucoup et pourrait avoir un large impact sur l'économie de nos procédés, " dit-il.

Plata souligne que l'étude du MIT n'a analysé qu'un seul des nombreux gaz de départ utilisés pour fabriquer les NTC, et que la même analyse doit être faite pour les autres. Mais pour sa part, elle se concentre maintenant sur la formation des NTC, essayer de déterminer l'interaction précise du catalyseur métallique et des hydrocarbures dans ce processus. Connaître le rôle du catalyseur pourrait aider les chercheurs à manipuler la formation des NTC atome par atome - beaucoup plus précisément qu'ils ne le peuvent actuellement, elle dit.