Исследователи Массачусетского технологического института выращивают углеродные нанотрубки, используя натрийсодержащие соединения, найденные в обычных домашних ингредиентах

] 30 мая 2019 года

Исследователи Массачусетского технологического института недавно обнаружили, что такие ингредиенты, как моющее средство, поваренная соль и пищевая сода, удивительно эффективны для приготовления углеродных нанотрубок (УНТ).

Натрийсодержащие соединения, такие как те, которые содержатся в обычных домашних ингредиентах, таких как моющее средство, пищевая сода и поваренная соль, Новое исследование MIT показывает, что они являются удивительно эффективными ингредиентами для приготовления углеродных нанотрубок. (Фото предоставлено: Кристина Данилов, Массачусетский технологический институт)

В исследовании, недавно опубликованном в журнале Angewandte Chemie исследователи сообщили, что соединения, изготовленные из натрия, часто встречаются в стандартных домашних ингредиентах, и они могут катализировать рост УНТ при температурах, намного ниже, чем у требуется обычными катализаторами.

По словам команды, натрий может способствовать росту УНТ на широком спектре низкотемпературных материалов, таких как полимеры, которые обычно плавятся при повышенных температурах, необходимых для обычного роста УНТ.

В аэрокосмических композитах есть много полимеров, которые удерживают углеродные волокна вместе, и теперь мы можем напрямую выращивать УНТ на полимерных материалах, чтобы сделать более прочные, жесткие и жесткие композиты. Использование натрия в качестве катализатора действительно открывает виды поверхностей, на которых можно выращивать нанотрубки .

Ричард Ли, ведущий автор исследования и аспирант, кафедра аэронавтики и космонавтики, Массачусетский технологический институт

Соавторами Li MIT являются постдоки Эстель Кальфон-Коэн, Эрика Антунес, Кеханг Цуй и Луис Акауан; выпускники Эндрю Лиотта 16, доктор философии Акира Кудо 16 и Анант Говинд Раджан С.М. 16, доктор философии 19 лет; профессор аэронавтики и космонавтики Брайан Уордл и профессор химической инженерии Майкл Страно, а также сотрудники Гарвардского университета и Национального института стандартов и технологий.

Пилинг лука

Когда УНТ видят под микроскопом, они выглядят как пустые цилиндры из проволочной сетки. Каждая трубка разработана из свернутой решетки из шестиугольных атомов углерода. Кроме того, связь, присутствующая между атомами углерода, является чрезвычайно прочной, и когда эти атомы углерода имеют структуру в виде трубки, такой как УНТ, или в решетке, такой как графен, эти структуры могут иметь невероятную прочность и жесткость, а также проявлять особую химические и электрические характеристики. Таким образом, ученые пытались покрыть различные поверхности УНТ, чтобы создать более жесткие, жесткие и прочные материалы.

Процесс, известный как химическое осаждение из паровой фазы (CVD), обычно используется исследователями для выращивания УНТ на многих различных материалах. Интересующий материал, такой как углеродные волокна, покрывают катализатором, который часто представляет собой соединение на основе железа, и затем устанавливают в печи, через которую газообразный диоксид углерода и другие углеродсодержащие газы могут протекать. При температуре около 800 ºC железо начинает извлекать атомы углерода из газа, который присоединяется к атомам железа и друг к другу, в результате чего образуются вертикальные трубки из атомов углерода вокруг отдельных углеродных волокон. Затем ученые растворяют катализатор, используя широкий спектр методов, и чистые углеродные нанотрубки в конечном итоге остаются позади.

Ли и его команда работали над различными способами выращивания УНТ на множестве поверхностей, покрывая их различными растворами железосодержащих соединений, и при этом они обнаружили, что последующие УНТ выглядели не так, как они ожидали .

Пробирки выглядели немного забавно, и Рич и команда аккуратно очистили лук, как оказалось, и оказалось, что небольшое количество натрия, которое, как мы подозревали, было неактивным, на самом деле вызывало весь рост .

Брайан Уордл, профессор, кафедра аэронавтики и космонавтики, Массачусетский технологический институт

Настройка ручек натрия

В целом железо было обычным катализатором для выращивания УНТ. Исследователи впервые заметили, что натрий также обладает аналогичным эффектом, заявил Уордл.

« Натрий и другие щелочные металлы не исследовались для катализа УНТ », – заявил Уордл. « Эта работа привела нас к другой части таблицы Менделеева. »

Чтобы убедиться, что их первоначальное наблюдение не было простым совпадением, исследователи проверили множество натрийсодержащих соединений. Первоначально они экспериментировали с натрием коммерческого качества, который представлял собой гранулы моющего средства, столовую соль и пищевую соду и был куплен в магазине у дома. Однако, в конечном счете, исследователи перешли на очищенные формы тех соединений, которые они впоследствии растворили в воде. Затем они окунали углеродное волокно в каждый раствор соединения, покрывая всю поверхность натрием, и, наконец, перенесли материал в печь и выполнили обычные шаги, вовлеченные в процесс CVD, для выращивания УНТ.

В целом, исследователи отметили, что, хотя железные катализаторы были способны образовывать УНТ при температуре до 800 ºC, натриевые катализаторы образовывали плотные и короткие леса УНТ при относительно более низких температурах, около 480 ºC. Кроме того, после того, как поверхности провели в печи приблизительно 15-30 минут, натрий просто испарился, оставив за собой полые УНТ.

Большая часть исследований УНТ направлена ​​не на их выращивание, а на их очистку – получение различных металлов, используемых для выращивания их из продукта. Отличительной особенностью натрия является то, что мы можем просто нагреть его и избавиться от него, а также получить чистый УНТ в качестве продукта, чего нельзя сделать с традиционными катализаторами .

Брайан Уордл, профессор, кафедра аэронавтики и космонавтики, Массачусетский технологический институт

Согласно Ли, предстоящая работа может быть сосредоточена на повышении качества УНТ, выращенных с помощью натриевых катализаторов. Команда также заметила, что, хотя натрий смог создать короткие, густые леса из УНТ, стенки труб не были соответствующим образом выровнены в виде бесшовных шестиугольников. CNT получают свою отличительную силу только от этих кристаллических конфигураций. В рамках процесса CVD Ли намеревается «настроить различные ручки», изменяя температуру, время и условия окружающей среды, чтобы улучшить качество УНТ, выращенных с использованием натрия.

Существует так много переменных, с которыми вы все еще можете играть, и натрий все еще может довольно неплохо конкурировать с традиционными катализаторами. Мы ожидаем, что с натрием можно получить качественные трубки в будущем. И у нас есть достаточно высокая уверенность, что, даже если вы будете использовать обычную пищевую соду Arm и Hammer, она должна работать .

Ричард Ли, ведущий автор исследования и аспирант, кафедра аэронавтики и космонавтики, Массачусетский технологический институт

По словам профессора машиностроения Токийского университета Шигео Маруямы, возможность приготовления УНТ из такого стандартного ингредиента, как натрий, должна дать более глубокое понимание того, как удивительно прочные материалы способны расти.

« Удивительно, что мы можем вырастить углеродные нанотрубки из поваренной соли !» – заявил Маруяма, который не участвовал в исследовании. « Даже несмотря на то, что рост углеродных нанотрубок методом химического осаждения из паровой фазы (ХОП) изучался более 20 лет, никто не пытался использовать металл щелочной группы в качестве катализатора. Это станет отличной подсказкой для совершенно нового понимания механизма роста углеродных нанотрубок . »

Исследование было частично поддержано Boeing, Airbus, Embraer, Lockheed Martin, ANSYS, Saab AB, TohoTenax и Saertex через консорциум наноинженерных композитных аэрокосмических конструкций (NECST) MIT.

Source link