Professor Stephan Irle van het Institute of Transformative Bio-Molecules (WPI-ITbM) aan de Universiteit van Nagoya en medewerkers aan de Universiteit van Kyoto, Oak Ridge National Lab (ORNL), en Chinese onderzoeksinstellingen hebben door theoretische simulaties onthuld dat het moleculaire mechanisme van koolstof nanobuis (CNT) groei en koolwaterstofverbranding in feite veel overeenkomsten vertoont.

In onderzoeken met acetyleenmoleculen (ethyn; C2H2, een molecuul met een drievoudige binding tussen twee koolstofatomen) als grondstof, de ethynylradicaal (C2H), een zeer reactief moleculair tussenproduct bleek een belangrijke rol te spelen in beide processen die CNT's en roet vormen, die twee duidelijk verschillende structuren zijn.

De studie die op 24 januari online is gepubliceerd, 2014 in Koolstof , zal naar verwachting leiden tot de identificatie van nieuwe manieren om de groei van CNT's te beheersen en om het begrip van brandstofverbrandingsprocessen te vergroten.

CNT's zijn moleculen met een cilindrische nanostructuur (nano =10E-9 m of 1/1, 000, 000, 000 meter). Door hun unieke fysische en chemische eigenschappen, CNT's hebben technologische toepassingen gevonden op het gebied van elektronica, optica en materiaalkunde.

CNT's kunnen worden gesynthetiseerd met een methode die chemische dampafzetting wordt genoemd, waar koolwaterstofdampmoleculen worden afgezet op overgangsmetaalkatalysatoren onder een stroom van niet-reactief gas bij hoge temperaturen.

Huidige problemen met deze methode zijn dat de CNT's meestal worden geproduceerd als mengsels van nanobuisjes met verschillende diameters en verschillende zijwandstructuren. Theoretische simulaties gecoördineerd door professor Irle hebben gekeken naar de moleculaire mechanismen van CNT-groei met behulp van acetyleenmoleculen als grondstof (Figuur 1). De uitkomst van hun onderzoek geeft inzicht in het identificeren van nieuwe parameters die kunnen worden gevarieerd om de controle over productdistributies bij de synthese van CNT's te verbeteren.

Theoretische berekeningen op hoog niveau met behulp van kwantumchemische moleculaire dynamica werden uitgevoerd om de vroege stadia van CNT-groei van acetyleenmoleculen op kleine ijzer (Fe38) clusters te bestuderen. Eerdere mechanistische studies hebben de volledige afbraak van koolwaterstofbrongassen tot atomaire koolstof gepostuleerd vóór CNT-groei.

"Onze simulaties hebben aangetoond dat acetyleenoligomerisatie en verknopingsreacties tussen koolwaterstofketens optreden als belangrijke reactieroutes in CNT-groei, samen met ontleding tot atomaire koolstof", zegt professor Stephan Irle, die het onderzoek leidde, "Dit volgt op waterstofabstractie-acetyleenadditie (HACA)-achtige mechanismen die vaak worden waargenomen bij verbrandingsprocessen", vervolgt hij.

Van verbrandingsprocessen is bekend dat ze verlopen via het waterstofabstractie-acetyleenadditie (HACA)-achtige mechanisme. Initiatie van het mechanisme begint met waterstofatoomabstractie van een voorlopermolecuul gevolgd door toevoeging van acetyleen, en de zich herhalende cyclus leidt tot vorming van ringgestructureerde polycyclische aromatische koolstoffen (PAK's).

In dit proces, de zeer reactieve ethynylradicaal (C2H) wordt voortdurend geregenereerd, verlengen de ringen van PAK's en vormen uiteindelijk roet. Hetzelfde belangrijke reactieve tussenproduct wordt waargenomen in CNT-groei en werkt als een organokatalysator (een katalysator op basis van een organisch molecuul) die waterstofoverdrachtsreacties over groeiende koolwaterstofclusters vergemakkelijkt. De simulaties identificeren een intrigerend bifurcatieproces waarbij waterstofrijke koolwaterstofsoorten het waterstofgehalte verrijken en niet-CNT-bijproducten creëren, en waterstofarme koolwaterstofsoorten verrijken het koolstofgehalte wat leidt tot CNT-groei (Figuur 2).

"We zijn dit soort onderzoek gestart vanaf 2000, en lange simulatietijd was een grote uitdaging om volledige simulaties uit te voeren voor alle deelnemende moleculen, vanwege de relatief hoge sterkte van de koolstof-waterstofbinding. Door een snelle rekenmethode vast te stellen en te gebruiken, we hebben voor het eerst met succes waterstof in onze berekeningen kunnen opnemen, wat leidde tot dit nieuwe begrip dat de overeenkomst tussen CNT-groei en koolwaterstofverbrandingsprocessen onthulde. Deze bevinding is zeer intrigerend in die zin dat deze processen lange tijd werden beschouwd als verlopen via totaal verschillende mechanismen", legt professor Irle uit.

De resultaten van deze simulaties illustreren het belang in de rol van chemische koolstofbinding en moleculaire transformaties in CNT-groei. Professor Irle legt uit, "Onze simulaties suggereren nieuwe parameters, zoals het afstemmen van het waterstofgehalte om de beheersing van CNT-groei en roetvorming te verbeteren. We willen nieuwe methoden ontwikkelen om technieken te versnellen die experimentatoren zullen overtuigen en verdere instrumenten ontwikkelen om nieuwe mogelijkheden te verkennen die zullen bijdragen aan het begrip van deze belangrijke processen."