(Phys.org) —Enkelwandige koolstofnanobuizen (SWCNT's) worden op grote schaal bestudeerd vanwege hun mogelijke toepassingen in veel gebieden; bijvoorbeeld, als elektrodematerialen voor energieopslag, als transparante geleidende films, en als nanocomposietmaterialen met nieuwe eigenschappen. Maar al deze toepassingen vereisen dat de SWCNT's een zeer hoge zuiverheid hebben, aangezien metallische onzuiverheden nadelige effecten hebben op de eigenschappen van de nanobuisjes. Tot dusver, het bereiden van SWCNT's met zeer weinig metaalachtige onzuiverheden was een uitdaging.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen , Professoren Qiang Zhang en Fei Wei van het Beijing Key Laboratory of Green Chemical Reaction Engineering and Technology aan de Tsinghua University in Beijing, China, samen met hun co-auteurs, hebben een methode aangetoond voor het bereiden van SWCNT's met een koolstofgehalte van 99,5 gew.% op poederkatalysatoren, wat een van de hoogste zuiverheden tot nu toe is.

In het algemeen, wanneer SWCNT's voor het eerst worden gekweekt op metaal-nanodeeltjes-ondersteunde katalysatoren, hun koolstofzuiverheid is gewoonlijk ongeveer 90 gew.%. Onderzoekers kunnen de zuiverheid verbeteren door nieuwe synthetische groeimethoden te gebruiken om nauwkeurige controle over het groeiproces te krijgen en de groei van metallische onzuiverheden te beperken. Een tweede optie is om te proberen een deel van de metallische onzuiverheden na SWCNT-groei te verwijderen, maar deze methoden vernietigen vaak een deel van de nanobuisjes in het proces.

In de meeste eerdere onderzoeken de SWCNT's worden gekarakteriseerd voor en nadat de groei- en zuiveringsprocessen zijn uitgevoerd, maar zeer weinig studies volgen wat er tijdens deze processen gebeurt.

In dit onderzoek, gebruikten de wetenschappers een thermogravimetrische reactor die was aangesloten op een massaspectrometer voor ter plaatse monitoring van de groeisnelheid van SWCNT's gekweekt op metaalkatalysatoren gedurende 30 minuten. De gegevens toonden aan dat de groeisnelheid tijdens de eerste 27 seconden snel toeneemt, vertraagt ​​dan en wordt bijna beëindigd op ongeveer 2 minuten. Daarna, de massa neemt slechts zeer geleidelijk toe.

Deze monitoring laat zien dat de SWCNT's effectief klaar zijn met groeien na 2 minuten, en dan blijven metaalachtige onzuiverheden groeien ten koste van de SWCNT-zuiverheid. Door de groeiduur te verkorten van 30 naar 2 minuten, de wetenschappers toonden aan dat ze de zuiverheid van de SWCNT's konden verbeteren van 90,4 naar 98,5 gew.%.

Onder begeleiding van ter plaatse toezicht houden, de wetenschappers zouden de zuiverheid verder kunnen verbeteren met behulp van een post-groeitechniek. Ze toonden aan dat CO ₂ oxidatie bij een specifieke temperatuur (850 ° C) zou metalen nanodeeltjes efficiënt kunnen verwijderen terwijl de SWCNT's behouden blijven. Bijgevolg, bij deze methode worden zeer weinig koolstofnanobuisjes vernietigd, terwijl de zuiverheid toeneemt tot 99,5 gew.%.

" ter plaatse monitoring van de werkende katalysatoren is uiterst belangrijk, " zei Zhang. "De informatie van de werkende katalysatoren wees op het succes voor de voorbereiding van zeer zuivere CNT's. Het ligt in de efficiënte groei van CNT's met een lage hoeveelheid nanokoolstofverontreinigingen en gedeeltelijke oxidatie van metaal@koolstofschillen door katalytische CO ₂ oxidatie met de juiste bedrijfsparameters. Een dergelijk begrip is heel nuttig om de route te ontwerpen voor massaproductie van CNT's met een hoge zuiverheid."

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan de thermogravimetrische reactor aan te passen voor aanvullende karakteriseringstechnieken, zoals Raman-spectrometrie of röntgendiffractie, om meer inzicht te krijgen in de dynamiek van SWCNT-vorming. Ze verwachten ook dat de aanpak kan worden toegepast op andere systemen die katalytische reacties met productiedepositie omvatten.

© 2013 Phys.org