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Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) están ampliando la fabricación de nanotubos de carbono de pared simple alineados verticalmente (SWCNT), que podrían transformar varios productos comerciales que van desde piezas de automóviles, baterías recargables y artículos deportivos hasta filtros de agua y cascos de barcos.
Nanotubos de carbono alineados verticalmente que crecen a partir de nanopartículas catalíticas (color dorado) en una oblea de silicio en una etapa de calentamiento (resplandor rojo). La difusión de acetileno (moléculas negras) a través de la fase gaseosa a los sitios catalíticos determina la tasa de crecimiento en un reactor de cabezal de ducha de pared fría. Crédito: Adam Samuel Connell/LLNL
El estudio fue publicado en carbón Diario.
La mayor parte de la producción de CNT se utiliza actualmente en películas delgadas y materiales compuestos a granel que dependen de arquitecturas CNT desorganizadas. Para varias aplicaciones, las arquitecturas CNT organizadas, como los bosques alineados verticalmente, ofrecen ventajas significativas para explotar las propiedades de los CNT separados en sistemas macroscópicos.
Se requiere una síntesis robusta a gran escala de nanotubos de carbono alineados verticalmente para acelerar el despliegue de numerosos dispositivos de última generación para nuevas aplicaciones comerciales..
Francesco Fornasiero, autor principal del estudio y científico, Laboratorio Nacional Lawrence Livermore
Fornasiero agregó: «Para abordar esta necesidad, hemos demostrado que las propiedades estructurales de los CNT de pared simple fabricados a escala de oblea en un régimen de crecimiento dominado por la difusión masiva del precursor de carbono gaseoso son notablemente invariantes en una amplia gama de condiciones de proceso..”
Los investigadores descubrieron que los SWCNT alineados verticalmente mantenían una alta calidad cuando la concentración del precursor (carbono inicial) aumentaba 30 veces. Además, el área del sustrato del catalizador aumentó de 1 cm2 hasta 180cm2. Además, las tasas de flujo de gas aumentaron 8 veces y la presión aumentó de 20 a 790 Mbar.
Los investigadores del LLNL presentaron un modelo cinético que mostraba que la cinética de crecimiento podía acelerarse mediante el uso de un baño de gas más ligero para ayudar en la difusión de precursores. Además, dejó en claro que la formación de subproductos se vuelve cada vez más importante con una mayor presión de crecimiento. Esto podría facilitarse en gran medida mediante el uso de un entorno de crecimiento libre de hidrógeno.
El modelo también muestra que la elección adecuada de la receta de crecimiento de CNT y las condiciones dinámicas de fluidos pueden aumentar el rendimiento de producción en 6 veces y la eficiencia de conversión de carbono a más del 90%.
Estas proyecciones del modelo, junto con la estructura notablemente conservada de los bosques de CNT en una amplia gama de condiciones de síntesis, sugieren que un régimen de crecimiento limitado por difusión masiva puede facilitar la preservación del rendimiento de los dispositivos basados en CNT orientados verticalmente durante la ampliación..
Jin Park, primer autor del estudio y científico, Laboratorio Nacional Lawrence Livermore
Los investigadores llegaron a la conclusión de que funcionar en un régimen de crecimiento que explica cuantitativamente un modelo de cinética de crecimiento de CNT simple puede respaldar la optimización de procesos y conducir a una implementación más rápida de aplicaciones de CNT alineadas verticalmente y de vanguardia.
Las aplicaciones incluyen purificación de agua, baterías de iones de litio, interfaces térmicas, telas transpirables, sensores y supercondensadores.
Los otros autores de LLNL en el estudio son Kathleen Moyer-Vanderburgh, Steven Buchsbaum, Eric Meshot, Melinda Jue y Kuang Jen Wu. El trabajo fue apoyado financieramente por la División de Tecnologías Biológicas y Químicas de la Agencia de Reducción de Amenazas de Defensa..
referencia de la revista
parque, sj, y otros. (2022) Síntesis a escala de oblea de bosques SWCNT con propiedades estructurales notablemente invariantes en un régimen cinético controlado por difusión de masa. carbón. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.09.068.
Fuente: https://www.llnl.gov/
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