Les nanotubes de carbone pourraient tout révolutionner, des batteries et des purificateurs d’eau aux pièces automobiles et aux articles de sport

Les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) du ministère de l’Énergie intensifient la production de nanotubes de carbone à paroi unique alignés verticalement (SWCNT). Ce matériau incroyable pourrait révolutionner divers produits commerciaux allant des batteries rechargeables, des articles de sport et des pièces automobiles aux coques de bateaux et aux filtres à eau. La recherche a été publiée récemment dans la revue Carbone.

La plupart de la production de nanotubes de carbone (CNT) aujourd’hui est constituée d’architectures CNT non organisées qui sont utilisées dans les matériaux composites en vrac et les films minces. Cependant, pour de nombreuses utilisations, les architectures CNT organisées, comme les forêts alignées verticalement, offrent des avantages critiques pour exploiter les propriétés des CNT individuels dans des systèmes macroscopiques.

« Une synthèse robuste de nanotubes de carbone alignés verticalement à grande échelle est nécessaire pour accélérer le déploiement de nombreux dispositifs de pointe vers des applications commerciales émergentes », a déclaré Francesco Fornasiero, scientifique du LLNL et auteur principal. “Pour répondre à ce besoin, nous avons démontré que les caractéristiques structurelles des NTC à paroi unique produits à l’échelle de la plaquette dans un régime de croissance dominé par la diffusion en masse du précurseur de carbone gazeux sont remarquablement invariantes sur une large gamme de conditions de processus.”

L’équipe de chercheurs a découvert que les SWCNT orientés verticalement conservaient une très haute qualité lors de l’augmentation de la concentration du précurseur (le carbone initial) jusqu’à 30 fois, la surface du substrat du catalyseur de 1 cm² à 180cm²pression de croissance de 20 à 790 Mbar et débits de gaz jusqu’à 8 fois.

Les scientifiques du LLNL ont dérivé un modèle cinétique qui montre que la cinétique de croissance peut être accélérée en utilisant un gaz de bain plus léger pour faciliter la diffusion des précurseurs. De plus, la formation de sous-produits, qui devient progressivement plus importante à une pression de croissance plus élevée, pourrait être grandement atténuée en utilisant un environnement de croissance sans hydrogène. Le modèle indique également que le débit de production pourrait être multiplié par 6 avec une efficacité de conversion du carbone supérieure à 90 % avec le choix approprié de la recette de croissance des CNT et des conditions de dynamique des fluides.

“Ces projections de modèles, ainsi que la structure remarquablement conservée des forêts de CNT sur un large éventail de conditions de synthèse, suggèrent qu’un régime de croissance limité par la diffusion en vrac peut faciliter la préservation des performances des dispositifs à base de CNT alignés verticalement pendant la mise à l’échelle”, a déclaré Scientifique du LLNL et premier auteur Sei Jin Park.

L’équipe a conclu que le fait de fonctionner dans un régime de croissance décrit quantitativement par un modèle simple de cinétique de croissance des CNT peut faciliter l’optimisation des processus et conduire à un déploiement plus rapide d’applications CNT de pointe alignées verticalement.

Les applications incluent les batteries lithium-ion, les supercondensateurs, la purification de l’eau, les interfaces thermiques, les tissus respirants et les capteurs.

Référence : “Synthèse de forêts SWCNT à l’échelle d’une plaquette avec des propriétés structurelles remarquablement invariantes dans un régime cinétique contrôlé par diffusion en masse” par Sei Jin Park, Kathleen Moyer-Vanderburgh, Steven F. Buchsbaum, Eric R. Meshot, Melinda L. Jue, Kuang Jen Wu et Francesco Fornasiero, 29 septembre 2022, Carbone.
DOI: 10.1016/j.carbon.2022.09.068

Les autres auteurs du LLNL sont Kathleen Moyer-Vanderburgh, Steven Buchsbaum, Eric Meshot, Melinda Jue et Kuang Jen Wu. Le travail est financé par le Département des technologies chimiques et biologiques de la Defense Threat Reduction Agency.