Νέος τρόπος παραγωγής νανοσωλήνων άνθρακα με ελαχιστοποίηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων

Published on November 11, 2010 at 3:53 AM

Δεδομένου του μεγέθους τους, τη δύναμη και ηλεκτρικές ιδιότητες, οι νανοσωλήνες άνθρακα - μικρό, κοίλο φιάλες από άτομα άνθρακα - κρατήστε την υπόσχεση για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών στο χώρο της ηλεκτρονικής, της ιατρικής και σε άλλους τομείς.

Παρά την βιομηχανική ανάπτυξη των νανοσωλήνων τα τελευταία χρόνια, ωστόσο, πολύ λίγα είναι γνωστά για το πώς φόρμα ή τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις της κατασκευής τους.

Γραφικά: Christine Daniloff

Αποδεικνύεται ότι μία διαδικασία που είναι ευρέως χρησιμοποιείται για την παραγωγή νανοσωλήνων άνθρακα, ή CNTs, μπορούν να απαλλάσσουν τους αρκετές εκατοντάδες τόνους χημικών προϊόντων, συμπεριλαμβανομένων των αερίων του θερμοκηπίου και των επικίνδυνων ατμοσφαιρικών ρύπων, στην ατμόσφαιρα κάθε χρόνο. Σε ένα έγγραφο που δημοσιεύτηκε την περασμένη εβδομάδα στην ιστοσελίδα της ACS Nano, οι ερευνητές αναφέρουν ότι σε πειράματα, αφαιρώντας ένα βήμα σε αυτή τη διαδικασία - ένα βήμα που περιλαμβάνει θέρμανση του άνθρακα με βάση τα αέρια και προσθέτοντας βασικά αντιδραστικά "συστατικά" - μείωση των εκπομπών επιβλαβών υποπροϊόντων τουλάχιστον δέκα φορές και, σε ορισμένες περιπτώσεις, με συντελεστή 100. Θα μειώσει επίσης το ποσό της ενέργειας που χρησιμοποιείται στη διαδικασία κατά το ήμισυ.

"Ήμασταν σε θέση να κάνει όλα αυτά και εξακολουθούν να έχουν καλή ανάπτυξη CNT», λέει ο Desiree Πλάτα, ο οποίος ηγήθηκε της έρευνας μεταξύ 2007 και 2009, ως διδακτορικός φοιτητής στο κοινό πρόγραμμα του MIT με το Ωκεανογραφικό Ινστιτούτο Woods Hole. Τώρα επισκέπτης επίκουρος καθηγητής στα Τμήματα ΜΙΤ της Αεροναυτικής και Αστροναυτικής και Πολιτικών Μηχανικών και Μηχανικών Περιβάλλοντος (CEE), Πλάτα συνεργάστηκε στο χαρτί με πολλά MIT και του Πανεπιστημίου του Michigan ερευνητών, συμπεριλαμβανομένων των Philip Gschwend, Ford Καθηγητής της Μηχανικής στην ΚΑΕ, και ο John Hart, μια μηχανική καθηγητής μηχανικής στο Πανεπιστήμιο του Michigan. Η μελέτη αποτελεί μέρος μιας μακροχρόνιας προσπάθειας για την αλλαγή της προσέγγισης στην ανάπτυξη υλικών, ώστε οι περιβαλλοντικοί χημικοί εργάζονται με τους νέους βιομηχανία CNT για την ανάπτυξη μεθόδων για την πρόληψη ή τον περιορισμό ανεπιθύμητες περιβαλλοντικές συνέπειες.

Στη μελέτη τους, Πλάτα και οι συνεργάτες της ανέλυσαν μια κοινή διαδικασία παραγωγής CNT γνωστή ως καταλυτική χημική εναπόθεση ατμού. Σε αυτή τη μέθοδο, οι κατασκευαστές συνδυάζουν υδρογόνου με ένα "φυσικό αέριο ως πρώτη ύλη," όπως το μεθάνιο, μονοξείδιο του άνθρακα ή αιθυλένιο. Είναι θερμότητα, στη συνέχεια, ο συνδυασμός σε έναν αντιδραστήρα που περιέχει καταλύτη μετάλλων, όπως το νικέλιο ή σιδήρου, το οποίο αποτελεί συνέχεια CNTs. Το πρόβλημα είναι ότι μόλις το έντυπο CNTs, αντιδρώντος ενώσεις (έως και 97 τοις εκατό της αρχικής πρώτης ύλης) είναι συχνά απελευθερώνεται στον αέρα.

Η απενεργοποίηση της θερμότητας

Σε ένα ειδικά κατασκευασμένο αντιδραστήρων σε εργαστηριακή κλίμακα, οι ερευνητές θερμαινόμενο υδρογόνου και αιθυλενίου, το οποίο χρησιμοποιείται συχνά σε υψηλού όγκου παραγωγής CNT, και στη συνέχεια το παρέδωσαν σε έναν καταλύτη μετάλλων. Διαπίστωσαν ότι πάνω από 40 ενώσεις που σχηματίζονται, συμπεριλαμβανομένων των αερίων του θερμοκηπίου όπως το μεθάνιο και τοξικούς ατμοσφαιρικούς ρύπους όπως το βενζόλιο.

Οι ερευνητές υποψιάζονται ότι δεν είναι όλα αυτά τα συστατικά είναι απαραίτητα για την καλλιέργεια CNTs, και ήξεραν ότι η θέρμανση του αερίου ως πρώτη ύλη διαδραματίζει έναν κρίσιμο ρόλο στη δημιουργία επικίνδυνων ενώσεων. Έτσι σε συνδυασμό χωρίς θέρμανση αιθυλενίου και υδρογόνου με αρκετές από τις 40 ενώσεις, μία προς μία, για να δείτε ποιος συνδυασμός ενώσεων οδήγησε στην καλύτερη ανάπτυξη. Παρατήρησαν ότι ορισμένοι alkynes, ή μόρια που έχουν τουλάχιστον δύο άτομα άνθρακα κολλήσει μαζί με τρεις διαφορετικές ομολογίες, που παράγεται η καλύτερη ανάπτυξη, ενώ άλλες ενώσεις ότι τα ανεπιθύμητα υποπροϊόντα, όπως το μεθάνιο και το βενζόλιο, δεν το έκανε.

Πλάτα και οι συνάδελφοί της επιτυγχάνεται δραματική μείωση τους και στις δύο επιβλαβείς εκπομπές και την κατανάλωση ενέργειας από πρόσκρουση σε θερμοκρασία δωματίου alkynes, και αιθυλενίου και το υδρογόνο, άμεσα επάνω ο καταλύτης μετάλλου, χωρίς θερμότητα. Έμαθαν επίσης ότι θα μπορούσαν να μειώσουν την ποσότητα του αιθυλενίου και το υδρογόνο που χρησιμοποιείται από περίπου 20 και 40 τοις εκατό, αντίστοιχα, και εξακολουθεί να επιτύχει το ίδιο ποσοστό και η ποιότητα της ανάπτυξης CNT. Πλάτα λέει ότι ενώ τα αποτελέσματα των πειραμάτων εργαστηρίου είναι δύσκολο να γενικεύσουμε, σε μια αγορά που αναμένεται να φθάσει τα πολλά δισεκατομμύρια δολάρια μέσα σε μερικά χρόνια, οι αλλαγές αυτές θα μπορούσε να μεταφραστεί σε «σημαντική μείωση του κόστους» για τους κατασκευαστές.

Αντίδραση Βιομηχανία

Αν και είναι πολύ νωρίς για τους κατασκευαστές να υιοθετήσουν τη μέθοδο που παρουσιάζεται στο έγγραφο, Ντέιβιντ Lashmore, αντιπρόεδρος και προϊστάμενος τεχνολογίας της Concord, NH τεχνολογίες που βασίζονται Nanocomp, λέει η μέθοδος είναι κάτι που η εταιρεία του είναι πρόθυμη να προσπαθήσει όσο φαίνεται τρόπους για να ελαχιστοποιηθούν οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις της παραγωγικής της διαδικασίας. «Αυτό έχει μεγάλο ενδιαφέρον για εμάς και θα μπορούσε να έχει ένα ευρύ αντίκτυπο στην οικονομία μας διαδικασία», λέει.

Πλάτα επισημαίνει ότι η μελέτη του MIT ανέλυσε ένα μόνο από τα αέρια που ως πρώτη ύλη χρησιμοποιούνται για να κάνουν CNTs, και ότι η ίδια ανάλυση πρέπει να γίνει για τους άλλους. Αλλά από την πλευρά της, επικεντρώνεται τώρα στην CNTs πώς μορφή, προσπαθώντας να καθορίσει την ακριβή αλληλεπίδραση του καταλύτη μετάλλου και των υδρογονανθράκων σε αυτή τη διαδικασία. Γνωρίζοντας τον ρόλο του καταλύτη θα μπορούσε να βοηθήσει τους ερευνητές να χειραγωγήσουν άτομο σχηματισμού CNTs »από άτομο - με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια από ό, τι μπορούν τώρα, λέει.

Η μελέτη χρηματοδοτήθηκε από το Ωκεανογραφικό Ινστιτούτο Woods Hole, το Arunas και Pam Chesonis ανάφλεξης επιχορήγησης μέσω του MIT Γη Systems Initiative και το MIT Martin Κοινωνία των συνεργατών για την Αειφορία, η νανοπαραγωγή Πρόγραμμα του Εθνικού Ιδρύματος Επιστημών, Lockheed Martin Νανοσυστημάτων και το Πανεπιστήμιο του Μίτσιγκαν Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών και Σώματος των Μηχανικών.

Πηγή: http://web.mit.edu/

Last Update: 3. October 2011 18:02

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit