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 После сокращения длины очередей и роста доступности бензина в первую неделю августа ситуация снова ухудшилась. Если с 20 июня по начало августа кризис носил в основном психологический характер, то сейчас ситуация принципиально иная: августовские атаки на НПЗ показали, что меры по усилению их противовоздушной обороны не были достаточно полными. Значит, прогноз автора Naked Science от 19 июля о том, что острая фаза кризиса закончится до конца лета, был частично неверным.
Вполне возможно, что примерно 55 тысяч лет назад неандертальцы обитали гораздо южнее, чем считалось до сих пор. На то, что они могли приспособиться к жизни в условиях пустыни, указали каменные орудия, обнаруженные на Аравийском полуострове.
С помощью ускорителей ученые имитируют процессы, происходившие в первые мгновения жизни Вселенной. Так пытаются решить загадки наблюдаемой реальности: почему материи больше, чем антиматерии, состоят ли кварки из других частиц, как сохраняется барионное число. В этот раз анализ столкновений на коллайдере RHIC предоставил сильное свидетельство того, что барионное число переносится не кварками, а глюонной перемычкой внутри протонов.
В черепах участников битв эпохи Средневековья часто находят отверстия квадратной формы, о происхождении которых спорят специалисты. Авторы нового исследования пришли к выводу, что такое повреждение — следствие смертельного удара по голове палицей.
Анализ почти 69 тысяч видов насекомых помог опровергнуть главенствующую теорию эволюции, которая полвека объясняла устройство колоний пчел, муравьев и ос. Исследователи выяснили, что общепринятый генетический фактор сам по себе не приводит к разделению труда, а настоящий секрет их коллективного выживания кроется в совсем других биологических чертах.
У любителей кофе выявили расхождение в уровнях тестостерона: одна форма этого гормона повышалась вместе с количеством выпитого, а другая, напротив, снижалась. Результат оказался особенно интересным на фоне изменений других показателей, связанных с обменом веществ и здоровьем сердца.
Долгое время считалось, что до прихода европейцев тропические леса Амазонии были заселены сравнительно плохо. Однако выяснилось, что плотная растительность скрывает большинство следов древних обществ. С помощью воздушного лазерного сканирования ученые обнаружили сотни неизвестных земляных сооружений и предположили, что около двух тысяч лет назад население юго-западной части Амазонии могло достигать трех миллионов человек.
Американская компания Firebird официально запустила в городе Раздан крупный центр обработки данных и фабрику искусственного интеллекта. На сегодняшний день это самый масштабный технологический хаб подобного уровня в СНГ, а после завершения всех этапов строительства он войдет в пятерку самых мощных вычислительных кластеров в мире.
Остров Пекан недалеко от Мексиканского залива в Луизиане вскоре перейдет в собственность компании Илона Маска. Здесь будет новый космодром для Starship, почти в 20 раз больше, чем в Бока-Чике, где уже стоят две стартовых площадки. Уникальное местоположение позволит компании попытаться реализовать амбициозную цель о запуске миллиона низкоорбитальных спутников на орбиты, где сегодня находится подавляющее меньшинство спутников Земли.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
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