Mejora de las propiedades eléctricas y térmicas de los nanotubos
La preparación de nanotubos de carbono por síntesis de llama involucra un sistema de combustión modificado con una fuente de carbono, una fuente de calor y un material catalítico apropiado. Con este fin, la construcción de nanotubos de carbono sobre un sustrato de cobre (Cu) mediante síntesis de llama es un nuevo enfoque para realizar compuestos de nanotubos de carbono basados en Cu.
Estudiar: Sintetizar compuestos de nanotubos de cobre y carbono mediante llama de difusión de metano. Haber de imagen: Evannovostro/Shutterstock.com
En un artículo reciente publicado en la revista Materiales hoy: Reseñas, los investigadores fabricaron compuestos de nanotubos de carbono a base de Cu mediante síntesis de llama para mejorar las propiedades eléctricas y térmicas del material de Cu. La limpieza y el grabado de sustratos de Cu con ácido sulfúrico concentrado fue el primer paso hacia los nanotubos de carbono a base de Cu.
Los sustratos de Cu limpios y grabados se sometieron a dos llamas laminares diferentes utilizando metano. La configuración de llama de difusión estándar (NDF) mostró una llama azul, protegiendo la llama amarilla rica en carbono sin distinción clara entre las llamas. Por otro lado, la configuración de llama de difusión inversa (IDF) mostró una clara separación entre la llama azul y amarilla, creando dos zonas de temperatura distintas.
Esta síntesis a la llama logró condiciones favorables para la síntesis de nanotubos de carbono sobre un sustrato de Cu. Los nanotubos de carbono basados en Cu fabricados tenían diámetros de tubo de 20 a 30 nanómetros. Por lo tanto, con la ayuda del presente estudio, los investigadores se dieron cuenta de que la síntesis de llama novedosa es un enfoque rentable para construir compuestos de nanotubos de carbono basados en Cu.
Estrategias sintéticas hacia los nanotubos de carbono
Los nanotubos de carbono son láminas planas de grafeno dobladas en forma de tubo. Su incorporación a los metales de transición da como resultado un material compuesto avanzado que aprovecha las propiedades favorables de los nanotubos de carbono, como la capacidad de carga de corriente, la conductividad eléctrica, la resistencia mecánica y la conductividad térmica.
Informes anteriores mencionaron enfoques de procesamiento de polvo o electrodeposición como las principales estrategias de síntesis para nanotubos de carbono basados en metales. Los estudios han demostrado que el método de electrodeposición es más ventajoso que el método de procesamiento de polvo debido a las posibilidades reducidas de aglomeración y al alto factor de carga de los nanotubos de carbono. Sin embargo, debido a la incubación durante un período prolongado y un ambiente de vacío a alta temperatura, el método de electrodeposición se convierte en un enfoque costoso.
En la síntesis de llama, las fuentes de carbono y calor se obtienen de la pirólisis y la combustión. El hidrocarburo se utiliza como fuente de energía rentable para sintetizar nanotubos de carbono en sustratos metálicos. Además, informes anteriores mencionaron principalmente al níquel y otros metales de transición como sustratos metálicos, mientras que el cobre como sustrato metálico para la síntesis de nanotubos de carbono permanece relativamente inexplorado.
De las estructuras de llama informadas anteriormente en la síntesis de llama, NDF e IDF son configuraciones seguras para sus operaciones, ya que carecen de los riesgos críticos de explosión debido a los retrocesos.
Compuestos de nanotubos de cobre y carbono a través de una llama de difusión de metano
El presente estudio utilizó rejillas de níquel y cobre de 3 milímetros con un paso de 400 x 62 micrómetros como sustratos metálicos. Estas rejillas se limpiaron primero con acetona y luego se decaparon con ácido sulfúrico. La llama NDF a base de metano se ha dividido en zonas moleculares, de crecimiento y de oxidación.
La zona molecular facilitó la descomposición del metano en precursores de nanotubos de carbono. En la zona de crecimiento, los precursores de nanotubos de carbono, como el monóxido de carbono (CO) y las moléculas de carbono pirolizadas, se depositaron en la superficie del catalizador y se utilizaron para formar nanotubos de carbono.
La zona de crecimiento se concentra principalmente en la región de la llama amarilla que contiene una concentración significativa de precursores de nanotubos de carbono. Además, estos precursores fueron enviados a la zona oxidativa de la llama amarilla que encapsula la llama azul. Sin embargo, colocar el sustrato de Cu en la zona de oxidación interferirá con la estructura de los nanotubos de carbono al descomponerlos en dióxido de carbono y agua. Por lo tanto, la zona de crecimiento de la llama NDF es crítica para la deposición de carbono y el crecimiento de nanotubos de carbono.
Las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de nanotubos de carbono en un sustrato de níquel revelaron estructuras tubulares de 20-60 nanómetros en la superficie de la rejilla de níquel después de la incubación NDF durante 5 minutos. Por el contrario, las imágenes SEM de la rejilla de Cu incubada en las mismas condiciones no mostraron la formación de nanotubos de carbono a base de Cu a pesar de su tratamiento con ácido sulfúrico concentrado.
El IDF consistió en una llama de color amarillo anaranjado, que protegía a la llama azul de forma cónica, en la que se observó una clara estratificación entre las zonas de oxidación y crecimiento. La presencia excesiva de combustible contribuye principalmente a la llama amarilla y la pirólisis del metano, apoyada por la llama azul. La llama amarilla de IDF cumplió un propósito similar al de NDF, como zona de crecimiento de nanotubos de carbono, mientras que la llama azul consiste en una zona de oxidación. Las imágenes SEM revelaron que, a diferencia de NDF, la incubación en IDF dio como resultado nanoestructuras de carbono con un diámetro de 20 a 30 nanómetros en el sustrato de Cu.
Conclusión
En general, se logró un mejor control de la temperatura, la forma de la llama y la concentración adecuada de los precursores de nanotubos de carbono a través de la disposición de la llama de difusión. Por lo tanto, el crecimiento de los nanotubos de carbono se controló tanto en configuraciones IDF como NDF. La configuración IDF con una clara separación de las zonas de llama permitió la incubación de Cu a temperaturas más altas.
Estas altas temperaturas proporcionaron una mayor cantidad de precursores de nanotubos de carbono sin obstaculizar el sustrato de Cu. Por lo tanto, la configuración de IDF fue ventajosa sobre su NDF debido a la generación de una separación distinta entre las zonas de oxidación y crecimiento, lo que sugiere que IDF era un medio adecuado para fabricar nanotubos de carbono basados en Cu por síntesis de llama.
Referencia
Comentario, HC., Chow, YL., Wong, HY., Ho, JH., Law, CH. (2022). Sintetice compuestos de nanotubos de cobre y carbono mediante llama de difusión de metano. Materiales hoy: Reseñas. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.06.489
