Gezien hun grootte, sterkte en elektrische eigenschappen, koolstof nanobuisjes - klein, holle cilinders gemaakt van koolstofatomen - veelbelovend voor een reeks toepassingen in elektronica, geneeskunde en andere gebieden. Ondanks de industriële ontwikkeling van nanobuisjes in de afgelopen jaren, echter, er is heel weinig bekend over hoe ze ontstaan ​​of over de milieueffecten van hun productie.

Het blijkt dat een proces dat gewoonlijk wordt gebruikt om koolstofnanobuisjes te produceren, of CNT's, kan honderden tonnen chemicaliën vrijgeven, inclusief broeikasgassen en gevaarlijke luchtverontreinigende stoffen, elk jaar de lucht in. In een artikel dat vorige week werd gepubliceerd op de ACS Nano website, de onderzoekers melden dat in experimenten, het verwijderen van één stap in dat proces - een stap waarbij gassen op koolstofbasis worden verwarmd en belangrijke reactieve "ingrediënten" worden toegevoegd - verminderde de uitstoot van schadelijke bijproducten ten minste vertienvoudigd en, in sommige gevallen, met een factor 100. Het halveerde ook de hoeveelheid energie die in het proces wordt gebruikt.

"We hebben dit allemaal kunnen doen en hebben nog steeds een goede CNT-groei, ’ zegt Desiree Plata, die het onderzoek leidde tussen 2007 en 2009 als promovendus in het gezamenlijke programma van MIT met de Woods Hole Oceanographic Institution. Nu een gastdocent aan de MIT-afdelingen voor luchtvaart en ruimtevaart en civiele en milieutechniek (CEE), Plata werkte aan het papier samen met verschillende MIT- en University of Michigan-onderzoekers, waaronder Philip Gschwend, Ford hoogleraar techniek in CEE, en John Hart, een professor werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Michigan. De studie maakt deel uit van een langetermijninspanning om de benadering van materiaalontwikkeling te veranderen, zodat milieuchemici samenwerken met de jonge CNT-industrie om methoden te ontwikkelen om ongewenste gevolgen voor het milieu te voorkomen of te beperken.

In hun studie hebben Plata en haar collega's analyseerden een algemeen CNT-productieproces dat bekend staat als katalytische chemische dampafzetting. Bij deze methode, fabrikanten combineren waterstof met een “grondstofgas, ” zoals methaan, koolmonoxide of ethyleen. Vervolgens verhitten ze de combinatie in een reactor die een metaalkatalysator zoals nikkel of ijzer bevat, die vervolgens CNT's vormt. Het probleem is dat zodra de CNT's zijn gevormd, niet-gereageerde verbindingen (tot 97 procent van de oorspronkelijke grondstof) komen vaak in de lucht terecht.

Het vuur uitzetten

In een op maat gemaakte reactor op laboratoriumschaal, de onderzoekers verhitten waterstof en ethyleen, die vaak wordt gebruikt in de productie van CNT met grote volumes, en vervolgens afgeleverd aan een metaalkatalysator. Ze ontdekten dat meer dan 40 verbindingen werden gevormd, inclusief broeikasgassen zoals methaan en giftige luchtverontreinigende stoffen zoals benzeen.

De onderzoekers vermoedden dat niet al die verbindingen essentieel waren voor het kweken van CNT's, en ze wisten dat het verwarmen van het grondstofgas een cruciale rol speelt bij het creëren van de gevaarlijke verbindingen. Dus combineerden ze onverwarmd ethyleen en waterstof met verschillende van de 40 verbindingen, een voor een, om te zien welke combinatie van verbindingen tot de beste groei leidde. Ze merkten op dat bepaalde alkynen, of moleculen met ten minste twee koolstofatomen die aan elkaar zijn geplakt met drie verschillende bindingen, produceerde de beste groei, terwijl andere verbindingen die ongewenste bijproducten zijn, zoals methaan en benzeen, deed niet.

Plata en haar collega's bereikten hun dramatische vermindering van zowel schadelijke emissies als energieverbruik door alkynen op kamertemperatuur te beïnvloeden, met ethyleen en waterstof, direct op de metaalkatalysator, zonder warmte. Ze leerden ook dat ze de hoeveelheid ethyleen en waterstof die werden gebruikt met ongeveer 20 tot 40 procent konden verminderen, respectievelijk, en nog steeds dezelfde snelheid en kwaliteit van CNT-groei bereiken. Plata zegt dat hoewel de resultaten van laboratoriumexperimenten moeilijk te generaliseren zijn, in een markt die naar verwachting binnen enkele jaren enkele miljarden dollars zal bereiken, deze veranderingen kunnen zich vertalen in "aanzienlijke kostenbesparingen" voor fabrikanten.

Reactie van de industrie

Hoewel het voor fabrikanten te vroeg is om de in de krant gepresenteerde methode over te nemen, David Lashmore, vice-president en chief technology officer van Concord, NH-gebaseerde Nanocomp-technologieën, zegt dat de methode iets is dat zijn bedrijf wil proberen, omdat het zoekt naar manieren om de milieueffecten van het productieproces te minimaliseren. “Dit is voor ons van groot belang en kan een brede impact hebben op onze proceseconomie, ' zegt hij.

Plata wijst erop dat de MIT-studie slechts een van de verschillende grondstoffengassen analyseerde die werden gebruikt om CNT's te maken, en dat dezelfde analyse moet worden gedaan voor de anderen. Maar voor haar eigen deel, ze concentreert zich nu op hoe CNT's worden gevormd, proberen de precieze interactie van de metaalkatalysator en de koolwaterstoffen in dit proces te bepalen. Het kennen van de rol van de katalysator kan onderzoekers helpen de vorming van CNT's atoom voor atoom te manipuleren - veel nauwkeuriger dan ze nu kunnen, ze zegt.