Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
Синтез углеродных нанотрубок стал в три раза эффективнее
Ученым Сколтеха удалось улучшить самую широко используемую технологию производства одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) — перспективного материала для изготовления солнечных батарей, светодиодов, гибкой и прозрачной электроники, умного текстиля, оборудования медицинской визуализации, детекторов токсичных газов, систем фильтрации. Исследователи ввели в реактор газообразный водород и монооксид углерода, что позволило увеличить количество получаемых на выходе нанотрубок почти втрое по сравнению с другими стимуляторами роста, причем без потери качества. До недавнего времени низкая производительность процесса не позволяла в полной мере реализовать потенциал этой производственной технологии, которая притом славилась высоким качеством конечного продукта.
Результаты исследования опубликованы в журнале Chemical Engineering Journal. По своей структуре (но не по технологии производства) углеродная нанотрубка представляет собой свернутый в бесшовный полый цилиндр лист графена — плоской сети из атомов углерода с геометрией пчелиных сот. Нанотрубки бывают однослойными или многослойными и имеют различные длину, диаметр и хиральность, то есть степень «смещения» сотового рисунка. Свойства углеродных нанотрубок значительно варьируются в зависимости от перечисленных параметров. Например, от хиральности зависит их электропроводность. Углеродные нанотрубки производят в виде порошка, тонких пленок, волокон или в других формах в зависимости от их предназначения.
Благодаря своим уникальным механическим, электрическим, оптическим и термическим свойствам, углеродные нанотрубки могут использоваться в различных изделиях и технологиях — от устойчивых к износу автомобильных шин и композитных материалов для лопастей ветряков до гибких сенсорных экранов и компонентов литий-ионных аккумуляторов. Одностенные углеродные нанотрубки в виде тонких пленок чаще всего применяются при создании гибких, эластичных, носимых и прозрачных электронных и оптических систем и устройств, таких как лазеры, светодиоды, дисплеи, солнечные элементы, кабели, транзисторы, механические, химические и световые датчики, фильтры для газов и жидкостей, антистатические покрытия и даже средства доставки лекарств.
Основной технологией производства пленочных ОУНТ и большинства других форм углеродных нанотрубок является химическое осаждение из газовой фазы (CVD), которое может выполняться несколькими способами — разными вариантами одного и того же базового технологического процесса. В качестве одного из вариантов технологии производства тонких пленок используют аэрозольный CVD, который позволяет получать нанотрубку в один этап.
В высокотемпературный реактор подается поток газообразного углеродного сырья — углеводородов, монооксида углерода, этанола и др., а также предшественника катализатора, чаще всего предшественника наночастиц железа, например ферроцена. Под воздействием высокой температуры предшественник катализатора распадается на каталитические наночастицы, и происходит разложение источника углерода. Углерод осаждается на поверхности частиц, образуется полусферическая фуллереновая «шапочка», и начинают формироваться нанотрубки. На выходе реактора нанотрубки одновременно фильтруются, образуя на поверхности фильтра 2D-сетку — тонкую пленку ОУНТ.
«Выбор источника углерода обусловлен требованиями, предъявляемыми к свойствам нанотрубок. Например, используя монооксид углерода, можно получить высококачественные нанотрубки, хотя и в весьма ограниченном количестве, но при этом пригодные для использования в оптике и электронике», — рассказывает один из авторов работы, старший преподаватель Сколтеха Дмитрий Красников.
Для решения этой проблемы исследователи обычно используют стимуляторы роста — дополнительные соединения, которые вводятся в CVD-реактор для ускорения роста нанотрубок и повышения каталитической активности и/или увеличения срока службы катализатора. Как правило, в качестве стимуляторов роста используют соединения серы, слабые окислители, такие как углекислый газ или вода, и дополнительные источники углерода. Однако у каждого из этих вариантов есть свои недостатки.
«Существующие решения не обеспечивают существенного повышения эффективности синтеза на основе монооксида углерода. При использовании углекислого газа удавалось повысить производительность в два-три раза, а при использовании монооксида углерода даже добавление серы не давало желаемого результата», — отмечает ведущий автор исследования, выпускник аспирантуры Сколтеха Илья Новиков, недавно с успехом защитивший диссертацию по тематике синтеза нанотрубок.
«В качестве возможного стимулятора роста мы рассмотрели водород. В предыдущих работах было установлено, что ввод водорода в среду монооксида углерода может запустить дополнительную реакцию, в результате которой параллельно с реакцией Будуара [диспропорционирование монооксида углерода в углекислый газ: CO + CO → C + CO2 — гидрогенизация CO: CO + H2 → C + Н2О] образуется углерод. Мы пришли к выводу, что такое решение может сработать и в нашем случае».
Тщательно исследовав влияние водорода на эффективность синтеза ОУНТ, а также изучив свойства полученных на выходе нанотрубок, авторы обнаружили, что при концентрации водорода 10 объемных процентов производительность синтеза выросла в 15 раз без какого-либо ухудшения структурных характеристик и свойств нанотрубок как прозрачного проводника.
«Изучив технологии выращивания нанотрубок методами оптической спектроскопии и электронной микроскопии, а также детально исследовав термодинамику процесса, мы пришли к выводу, что такой замечательный результат удалось получить благодаря гидрогенизации монооксида углерода», — говорит руководитель Лаборатории наноматериалов Сколтеха, профессор Альберт Насибулин.
«Более того, чтобы в деталях объяснить влияние водорода на процесс, мы исследовали различные температурные режимы синтеза нанотрубок, а также различные уровни концентрации водорода», — добавляет Красников. «Неожиданно для себя мы обнаружили два разных феномена: на низкотемпературном режиме водород обеспечивает значительное повышение каталитической активности (активности участвующих в катализе частиц железа), тем самым значительно повышая количество трубок на выходе, а на высокотемпературном режиме он ускоряет рост нанотрубок, что приводит к получению более длинных нанотрубок с более высокой проводимостью пленки».
«Таким образом, в данном исследовании были решены сразу две важные проблемы. С одной стороны, значительно повышена эффективность синтеза, что существенно расширяет возможности применения аэрозольных CVD-процессов на основе монооксида углерода, приближая внедрение этого метода для производства нанотрубок в промышленных масштабах. С другой стороны, в этой работе нам удалось раскрыть принципиальные механизмы роста нанотрубок на основе диспропорционирования монооксида углерода, что чрезвычайно важно для более глубокого понимания процесса CVD-синтеза нанотрубок в целом», — отмечает в заключение профессор Насибулин.
Telegram 
Дзен 
VK В разрыве протопланетного диска звезды WISPIT 2 ученые разглядели зарождающуюся планету. Это уже второй гигант в этом формирующемся «семействе», что делает его крайне похожим на молодую Солнечную систему.
Жизнь в суровых условиях вечной мерзлоты — вызов даже для бактерий. Для нее требуются уникальные адаптации к холоду и другим стрессовым факторам. В новом исследовании ученые МФТИ с коллегами описали белки Exiguobacterium sibiricum — бактерии, найденной в многолетнемерзлых породах на северо-востоке Сибири. Исследователи выяснили, как набор белков в мембране микроба зависит от температуры, при которой его культивируют.
Десятки странных архитектурных структур, обнаруженных в тропических лесах Юкатана, когда-то были не ритуальными сооружениями майя, а рынками с рядами прилавков, пришли к выводу археологи.
В разрыве протопланетного диска звезды WISPIT 2 ученые разглядели зарождающуюся планету. Это уже второй гигант в этом формирующемся «семействе», что делает его крайне похожим на молодую Солнечную систему.
В парках некоторых стран все чаще можно заметить странную картину: синицы и воробьи вместо пуха и веточек приносят в клювах сигаретные окурки. Орнитологи из Польши решили выяснить, зачем птицы выстилают гнезда мусором, пропитанным никотином. Оказалось, пернатые нашли способ использовать вредную человеческую привычку для защиты своего потомства. Но, как это часто бывает в природе, у медали есть обратная сторона.
Марсоход «Персеверанс» обнаружил в камнях на кромке кратера Езеро спектральные признаки минерала корунда, из которого на Земле образуются рубины и сапфиры. Такие спектры на Красной планете зарегистрировали впервые. Теперь ученые пытаются понять, при каких процессах он мог там сформироваться, ведь условия на Марсе заметно отличаются от тех, в которых корунд обычно образуется на Земле.
Марсоход «Персеверанс» обнаружил в камнях на кромке кратера Езеро спектральные признаки минерала корунда, из которого на Земле образуются рубины и сапфиры. Такие спектры на Красной планете зарегистрировали впервые. Теперь ученые пытаются понять, при каких процессах он мог там сформироваться, ведь условия на Марсе заметно отличаются от тех, в которых корунд обычно образуется на Земле.
В парках некоторых стран все чаще можно заметить странную картину: синицы и воробьи вместо пуха и веточек приносят в клювах сигаретные окурки. Орнитологи из Польши решили выяснить, зачем птицы выстилают гнезда мусором, пропитанным никотином. Оказалось, пернатые нашли способ использовать вредную человеческую привычку для защиты своего потомства. Но, как это часто бывает в природе, у медали есть обратная сторона.
За 10 лет лежания в почве сигаретные фильтры не растворились, а лишь замаскировались под грязь. Их пластиковые волокна распались на микрочастицы, намертво склеились с минералами и превратились во вторичный микропластик. Более того, на пятом году гниения мусор начал отравлять землю с новой силой.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно