Les scientifiques de Skoltech ont trouvé un moyen d'améliorer la technologie la plus largement utilisée pour produire des films de nanotubes de carbone à paroi unique, un matériau prometteur pour les cellules solaires, les LED, l'électronique flexible et transparente, les textiles intelligents, l'imagerie médicale, les détecteurs de gaz toxiques, les systèmes de filtration et plus. En ajoutant de l'hydrogène gazeux ainsi que du monoxyde de carbone à la chambre de réaction, l'équipe a réussi à presque tripler le rendement en nanotubes de carbone par rapport à l'utilisation d'autres stimulateurs de croissance, sans compromettre la qualité.
Jusqu’à présent, le faible rendement constituait le goulot d’étranglement limitant le potentiel de cette technologie de fabrication, autrement connue pour la haute qualité de ses produits. L'étude a été publiée dans le Chemical Engineering Journal .
Bien que ce ne soit pas ainsi qu'ils sont réellement fabriqués, conceptuellement, les nanotubes sont une forme de carbone dans laquelle des feuilles d'atomes disposées en nid d'abeilles (appelées graphène) sont enroulées de manière transparente dans des cylindres creux.
Ils varient en longueur, en diamètre et en ce qu'on appelle la chiralité (la manière dont le motif en nid d'abeille est « incliné »), ainsi que si le tube est à paroi simple ou s'il est entouré d'autres tubes plus larges, ce qui le rend « à parois multiples ». Les propriétés des nanotubes de carbone varient considérablement en fonction des paramètres ci-dessus. La chiralité, par exemple, contrôle leur conductivité électrique. Les nanotubes de carbone sont fabriqués sous forme de poudre, de films minces, de fibres et sous d'autres formes, en fonction de l'application à laquelle ils sont destinés.
En raison de leurs superbes propriétés mécaniques, électriques, optiques et thermiques, les nanotubes de carbone sont utilisés dans divers produits et technologies, depuis les pneus de voiture indéchirables et les matériaux composites pour les pales d'éoliennes jusqu'aux écrans tactiles flexibles et aux composants de batteries lithium-ion.
Les principales applications des nanotubes de carbone à paroi unique sous forme de films minces concernent les dispositifs, composants et solutions électroniques et optiques, en particulier ceux destinés à être flexibles, étirables, portables et transparents. Parmi eux figurent des lasers, des diodes électroluminescentes et des écrans, des cellules solaires, des câbles, des transistors, des capteurs mécaniques, chimiques et lumineux, des systèmes de filtration de gaz et de liquides, des revêtements antistatiques et même des véhicules d'administration de médicaments.
La principale technologie de fabrication de films de nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT), comme la plupart des autres formes de nanotubes de carbone, est connue sous le nom de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et englobe plusieurs techniques qui sont des variations du même processus de base.
Parmi ces variantes, le CVD à catalyseur flottant (aérosol) est utilisé pour la production de films minces, car il permet de les obtenir en une seule étape.
Dans ce procédé, des flux gazeux de source de carbone (charge de carbone pour la croissance de nanotubes, tels que les hydrocarbures, le monoxyde de carbone, l'éthanol, etc.) et de précurseur de catalyseur (généralement un précurseur de nanoparticules de fer, par exemple le ferrocène) sont introduits dans le système à haute teneur en carbone. réacteur à température.
La température élevée décompose le précurseur en nanoparticules catalytiques, suivies de la décomposition de la source de carbone et du dépôt de carbone sur leur surface, de la formation d'une calotte en forme d'hémisphère de fullerène et de la croissance des nanotubes. A la sortie du réacteur, les nanotubes sont filtrés simultanément formant un réseau « 2D » à la surface du filtre :le film mince SWCNT.
"Le choix de la source de carbone dépend des propriétés souhaitées des nanotubes. Le monoxyde de carbone fournit un produit de haute qualité adapté aux applications optiques et électroniques, mais au prix d'un rendement plutôt modeste", a déclaré le professeur adjoint Dmitry Krasnikov de Skoltech, co-auteur de l'étude.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs utilisent généralement des promoteurs de croissance, c'est-à-dire des composés supplémentaires dans le réacteur CVD qui augmentent la croissance des nanotubes ou améliorent l'activation et/ou la durée de vie du catalyseur. Il s’agit généralement de composés soufrés, d’oxydants faibles, tels que le dioxyde de carbone ou l’eau, ou de sources de carbone supplémentaires. Néanmoins, toutes ces options ont leurs inconvénients.
"Les solutions actuelles ne pouvaient pas améliorer de manière significative la productivité de la synthèse à base de CO. Une multiplication par deux ou trois du rendement était typique pour le dioxyde de carbone, tandis que l'ajout de soufre s'est avéré inefficace pour le procédé à base de CO", a commenté Ilya Novikov, l'auteur principal de la publication qui a récemment soutenu son doctorat. thèse consacrée à la synthèse des nanotubes à Skoltech.
"Nous avons considéré l'hydrogène comme un possible promoteur de croissance efficace. Dans des travaux antérieurs, il a été constaté que son introduction dans l'atmosphère de CO pouvait déclencher une réaction supplémentaire produisant du carbone en plus de la réaction de Boudouard (la dismutation du CO :CO + CO → C + CO 2 ) - Hydrogénation du CO (CO + H2 → C + H2 O). Nous avons conclu que cela pourrait également fonctionner dans notre cas."
Après une étude approfondie de l'effet de l'hydrogène sur le rendement de synthèse des SWCNT ainsi que sur les propriétés du produit nanotube, les auteurs ont constaté une multiplication par 15 de la productivité de synthèse à une concentration de 10 % en volume de H2 sans détérioration des propriétés structurelles du film de nanotubes et des performances en tant que conducteur transparent.
"Après avoir étudié les mécanismes impliqués dans la croissance des nanotubes par des méthodes de spectroscopie optique et de microscopie électronique et réalisé une étude détaillée de la thermodynamique du processus, nous avons conclu que l'hydrogénation du monoxyde de carbone est effectivement responsable d'un effet aussi remarquable", a déclaré le professeur Albert Nasibulin, chef du Laboratoire de Nanomatériaux à Skoltech.
"De plus, pour expliquer en détail son influence sur le processus, nous avons examiné différents régimes de température pour la synthèse des nanotubes en plus de la variation de la concentration en hydrogène", a ajouté Krasnikov.
"De manière inattendue, deux phénomènes différents ont été observés :en régime à basse température, l'hydrogène améliore considérablement l'activation du catalyseur (la fraction de particules de fer active pour la catalyse), augmentant ainsi le rendement, tandis qu'en régime à haute température, il améliore la croissance des nanotubes. , ce qui donne des nanotubes plus longs avec une conductivité plus élevée des films."
"Nous pensons donc que cette étude résout deux problèmes importants à la fois. D'une part, une amélioration considérable de la productivité de synthèse étend considérablement les applications des procédés CVD d'aérosols à base de CO et rapproche cette méthode de la production industrielle de nanotubes. d'autre part, dans ce travail, nous avons réussi à découvrir des mécanismes fondamentaux derrière la croissance des nanotubes basés sur la dismutation du CO, ce qui devrait être extrêmement utile pour une compréhension plus approfondie de la synthèse CVD des nanotubes en général", a conclu Nasibulin.
Plus d'informations : Ilya V. Novikov et al, Stimuler la synthèse à base de CO de nanotubes de carbone à paroi unique avec de l'hydrogène, Chemical Engineering Journal (2023). DOI :10.1016/j.cej.2023.146527
Informations sur le journal : Journal de génie chimique
Fourni par l'Institut des sciences et technologies de Skolkovo
