673886040@qq.com
Углеродные нанотрубки могут революционизировать все, от батарей и очистителей воды до автозапчастей
Ученые из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) Министерства энергетики расширяют производство вертикально выровненных одностенных углеродных нанотрубок (SWCNT). Этот невероятный материал может революционизировать различные коммерческие продукты, начиная от перезаряжаемых батарей, спортивных товаров и автомобильных деталей до корпусов лодок и фильтров для воды. Исследование было опубликовано недавно в журнале Carbon.Большая часть производства углеродных нанотрубок (CNT) сегодня представляет собой неорганизованные архитектуры CNT, которые используются в сыпучих композитных материалах и тонких пленках. Однако для многих применений организованные архитектуры УНТ, такие как вертикально выровненные леса, обеспечивают критические преимущества для использования свойств отдельных УНТ в макроскопических системах.
«Надежный синтез вертикально выровненных углеродных нанотрубок в больших масштабах необходим для ускорения развертывания многочисленных передовых устройств в новых коммерческих приложениях», - сказал ученый LLNL и ведущий автор Франческо Форнасьеро. «Чтобы удовлетворить эту потребность, мы продемонстрировали, что структурные характеристики одностенных УНТ, производимых в масштабе пластины в режиме роста, в котором доминирует объемная диффузия газообразного предшественника углерода, удивительно инвариантны в широком диапазоне условий процесса».
Команда исследователей обнаружила, что вертикально ориентированные SWCNT сохраняют очень высокое качество при увеличении концентрации предшественника (исходного углерода) до 30 раз, площади подложки катализатора от 1 см2 до 180 см2, давления роста от 20 до 790 Мбар и расхода газа до 8 раз.
Ученые LLNL вывели кинетическую модель, которая показывает, что кинетика роста может быть ускорена с помощью более легкого банного газа для содействия диффузии предшественников. Кроме того, образование побочных продуктов, которое становится все более важным при более высоком давлении роста, может быть значительно смягчено за счет использования безводородной среды роста.Модель также показывает, что производительность производства может быть увеличена в 6 раз с эффективностью преобразования углерода выше 90% при соответствующем выборе рецепта роста УНТ и условий гидродинамики.
«Эти модельные прогнозы, наряду с удивительно сохраненной структурой лесов УНТ в широком диапазоне условий синтеза, предполагают, что объемно-диффузионно-ограниченный режим роста может способствовать сохранению вертикально выровненных характеристик устройств на основе УНТ во время масштабирования», — сказал ученый LLNL и первый автор Сей Джин Парк.
Команда пришла к выводу, что работа в режиме роста, который количественно описывается простой моделью кинетики роста CNT, может облегчить оптимизацию процесса и привести к более быстрому развертыванию передовых вертикально выровненных приложений CNT.
Области применения включают литий-ионные батареи, суперконденсаторы, очистку воды, тепловые интерфейсы, дышащие ткани и датчики.
Справка: «Синтез вафельных лесов SWCNT с удивительно инвариантными структурными свойствами в объемно-диффузионно-контролируемом кинетическом режиме» Sei Jin Park, Kathleen Moyer-Vanderburgh, Steven F. Buchsbaum, Eric R. Meshot, Melinda L. Jue, Kuang Jen Wu and Francesco Fornasiero, 29 сентября 2022 года, Carbon.
Другими авторами LLNL являются Кэтлин Мойер-Вандербург, Стивен Бухсбаум, Эрик Месот, Мелинда Джу и Куанг Джен Ву. Работа финансируется Департаментом химических и биологических технологий Агентства по сокращению военной угрозы.
