(Phys.org) — Les nanotubes de carbone à paroi simple (SWCNT) sont largement étudiés pour leurs applications potentielles dans de nombreux domaines; par exemple, comme matériaux d'électrode pour le stockage d'énergie, comme films conducteurs transparents, et en tant que matériaux nanocomposites avec de nouvelles propriétés. Mais toutes ces applications nécessitent que les SWCNT aient une très grande pureté, car les impuretés métalliques ont des effets néfastes sur les propriétés des nanotubes. Jusque là, préparer des SWCNT avec très peu d'impuretés métalliques a été un défi.

Dans un nouvel article publié dans Matériaux fonctionnels avancés , Les professeurs Qiang Zhang et Fei Wei du Beijing Key Laboratory of Green Chemical Reaction Engineering and Technology de l'Université Tsinghua de Pékin, Chine, avec leurs co-auteurs, ont mis en évidence un procédé de préparation de SWCNTs avec une teneur en carbone de 99,5 % en poids sur des catalyseurs en poudre, qui est l'une des plus hautes puretés à ce jour.

En général, lorsque les SWCNT sont cultivés pour la première fois sur des catalyseurs supportés par des nanoparticules métalliques, leur pureté en carbone est généralement d'environ 90 % en poids. Les chercheurs peuvent améliorer la pureté en utilisant de nouvelles méthodes de croissance synthétique pour obtenir un contrôle précis du processus de croissance et limiter la croissance des impuretés métalliques. Une deuxième option consiste à essayer d'éliminer certaines des impuretés métalliques après la croissance des SWCNT, mais ces méthodes détruisent souvent une partie des nanotubes au cours du processus.

Dans la plupart des recherches antérieures, les SWCNT sont caractérisés avant et après la réalisation des processus de croissance et de purification, mais très peu d'études surveillent ce qui se passe au cours de ces processus.

Dans cette étude, les scientifiques ont utilisé un réacteur thermogravimétrique relié à un spectromètre de masse pour in situ suivi de la vitesse de croissance des SWCNT cultivés sur des catalyseurs métalliques pendant 30 minutes. Les données ont montré que le taux de croissance augmente rapidement pendant les 27 premières secondes, puis ralentit et est presque terminé à environ 2 minutes. Après ça, la masse n'augmente que très progressivement.

Ce suivi révèle que les SWCNT ont effectivement fini de croître à 2 minutes, puis les impuretés métalliques continuent de croître au détriment de la pureté des SWCNT. En réduisant la durée de croissance de 30 à 2 minutes, les scientifiques ont montré qu'ils pouvaient améliorer la pureté des SWCNT de 90,4 à 98,5% en poids.

Guidé par in situ surveillance, les scientifiques pourraient encore améliorer la pureté en utilisant une technique de post-croissance. Ils ont montré que le CO 2 l'oxydation à une température spécifique (850 °C) pourrait éliminer efficacement les nanoparticules métalliques tout en préservant les SWCNT. Par conséquent, très peu de nanotubes de carbone sont détruits dans cette méthode, tandis que la pureté augmente à 99,5% en poids.

" In situ la surveillance des catalyseurs de travail est extrêmement importante, " a déclaré Zhang. " Les informations provenant des catalyseurs de travail ont indiqué le succès de la préparation de NTC de haute pureté. Elle réside dans la croissance efficace des NTC avec une faible quantité d'impuretés nanocarbonées et l'oxydation partielle des coques métal@carbone par le CO catalytique 2 oxydation avec des paramètres de fonctionnement appropriés. Une telle compréhension est très utile pour concevoir la voie de la production en série de NTC de haute pureté. »

À l'avenir, les chercheurs envisagent de modifier le réacteur thermogravimétrique pour des techniques de caractérisation supplémentaires, comme la spectrométrie Raman ou la diffraction des rayons X, pour mieux comprendre la dynamique de la formation des SWCNT. Ils s'attendent également à ce que l'approche puisse être appliquée à d'autres systèmes qui impliquent des réactions catalytiques avec dépôt de production.

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