Os cientistas do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) estão ampliando a produção de nanotubos de carbono de parede única alinhados verticalmente (SWCNT) que podem revolucionar diversos produtos comerciais, desde baterias recarregáveis, peças automotivas e artigos esportivos até cascos de barcos e filtros de água. A pesquisa aparece na revista Carbon.
A maior parte da produção de CNT hoje é usada em materiais compostos a granel e filmes finos, que dependem de arquiteturas CNT desorganizadas. Para muitos usos, arquiteturas CNT organizadas, como florestas alinhadas verticalmente, fornecem vantagens importantes para explorar as propriedades de CNTs individuais em sistemas macroscópicos.
“A síntese robusta de nanotubos de carbono alinhados verticalmente em grande escala é necessária para acelerar a implantação de vários dispositivos de ponta para aplicações comerciais emergentes”, disse o cientista e principal autor do LLNL Francesco Fornasiero. “Para atender a essa necessidade, demonstramos que as características estruturais dos CNTs de parede simples produzidos em escala de wafer em um regime de crescimento dominado pela difusão em massa do precursor de carbono gasoso são notavelmente invariáveis em uma ampla gama de condições de processo”.
A equipe descobriu que os SWCNTs orientados verticalmente mantinham uma qualidade muito alta ao aumentar a concentração do precursor (o carbono inicial) em até 30 vezes, a área do substrato do catalisador de 1 cm2 a 180 cm2, pressão de crescimento de 20 a 790 Mbar e vazões de gás até óctuplo.
Os cientistas do LLNL derivaram um modelo de cinética que mostra que a cinética de crescimento pode ser acelerada usando um gás de banho mais leve para auxiliar a difusão do precursor, e que a formação de subprodutos, que se torna progressivamente mais importante a uma pressão de crescimento mais alta, pode ser bastante mitigada usando um gás livre de hidrogênio ambiente de crescimento. O modelo também indica que a escolha apropriada da receita de crescimento de CNT e das condições de dinâmica de fluidos pode aumentar o rendimento da produção em 6 vezes e a eficiência de conversão de carbono para mais de 90%.
“Essas projeções de modelo, juntamente com a estrutura notavelmente conservada das florestas CNT em uma ampla gama de condições de síntese, sugerem que um regime de crescimento limitado por difusão em massa pode facilitar a preservação do desempenho do dispositivo baseado em CNT alinhado verticalmente durante o aumento de escala”, disse Cientista do LLNL e primeiro autor Sei Jin Park.
A equipe concluiu que operar em um regime de crescimento descrito quantitativamente por um modelo simples de cinética de crescimento de CNT pode facilitar a otimização do processo e levar a uma implantação mais rápida de aplicativos CNT alinhados verticalmente de ponta.
Publicado em 27/10/2022 10h25
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