Los nanotubos de carbono podrían revolucionar todo, desde baterías y purificadores de agua hasta autopartes y artículos deportivos.

Los nanotubos de carbono alineados verticalmente crecen a partir de las nanopartículas del catalizador (color dorado) en obleas de silicio (resplandor rojo) sobre el termoestable. La difusión de acetileno (moléculas negras) a través de la fase gaseosa hacia los sitios del catalizador determina la tasa de crecimiento en un reactor de cabezal de ducha de pared fría. Crédito: Imagen de Adam Samuel Connell/LLNL

Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) del Departamento de Energía están optimizando la producción de nanotubos de carbono de pared simple alineados verticalmente (SWCNT). Este increíble material podría revolucionar una variedad de productos comerciales, desde baterías recargables, artículos deportivos y autopartes hasta cascos de embarcaciones y filtros de agua. El estudio fue publicado recientemente en la revista Carbón.

La mayor parte de la producción actual de nanotubos de carbono (CNT) son estructuras CNT no estructuradas, que se utilizan en materiales compuestos a granel y películas delgadas. Sin embargo, para muchas aplicaciones, las estructuras de CNT organizadas, como los bosques alineados verticalmente, ofrecen ventajas importantes para explotar las propiedades de los CNT individuales en sistemas macroscópicos.

«La síntesis robusta de grandes nanotubos de carbono alineados verticalmente debería acelerar el despliegue de una amplia gama de dispositivos sofisticados para aplicaciones comerciales emergentes», dijo el científico y autor principal del LLNL, Francesco Fornaciro. «Para abordar esta necesidad, demostramos que las propiedades estructurales de los CNT de pared simple producidos a escala en un régimen de crecimiento dominado por la difusión masiva de un precursor de carbono gaseoso son notablemente invariantes en una amplia gama de condiciones de proceso».

El equipo de investigadores encontró que los SWCNT orientados verticalmente conservaron la calidad más alta cuando la concentración del precursor (carbono inicial) se incrementó hasta 30 veces, con un área de sustrato de catalizador de 1 cm.2 primeros 180cm2La presión de desarrollo varía de 20 a 790 Mbar y el gas fluye hasta 8 veces.

Los científicos del LLNL obtuvieron un modelo cinético que mostraba que la cinética de crecimiento podía acelerarse mediante el uso de un baño de gas ligero para ayudar a la dispersión de progenitores. Además, la formación de subproductos, que se vuelve progresivamente más prominente a alta presión de crecimiento, se puede reducir en gran medida mediante el uso de un entorno de crecimiento libre de hidrógeno. El modelo también indica que la eficiencia de producción se puede multiplicar por 6 con una eficiencia de conversión de carbono de más del 90% mediante la selección adecuada del proceso de crecimiento de CNT y las condiciones de dinámica de fluidos.

«Estas predicciones del modelo ayudan a preservar el régimen de crecimiento limitado por difusión masiva en una amplia gama de condiciones de síntesis, junto con la estructura notablemente conservada de los bosques CNT al medir el rendimiento del dispositivo basado en CNT alineado verticalmente», dijo. Científico de LLNL y primer autor Sei Jin Park.

El equipo llegó a la conclusión de que operar en un régimen de crecimiento descrito cuantitativamente por un modelo de cinética de crecimiento de CNT simple facilitaría la optimización del proceso y conduciría a una implementación rápida de aplicaciones de CNT alineadas verticalmente de alta velocidad.

Las aplicaciones incluyen baterías de iones de litio, supercondensadores, purificación de agua, interfaces térmicas, tejidos transpirables y sensores.

Referencia: «Síntesis de bosques SWCNT a escala de oblea con propiedades estructurales notablemente invariantes en el régimen cinético controlado por difusión masiva» por Sei Jin Park, Kathleen Moyer-Vanderburgh, Steven F. Buchsbaum, Eric R. Meshot, Melinda L. Jue Guang Zhen Wu y Francesco Fornaciro, 29 de septiembre de 2022, Carbón.
DOI: 10.1016/j.carbon.2022.09.068

Otros profesores de LLNL incluyen a Kathleen Moyer-Vanderburgh, Steven Buchsbaum, Eric Meshot, Melinda Jue y Kuang Jen Wu. El trabajo está financiado por la División de Tecnología Química y Biológica de la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa.

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