Los nanotubos de carbono (CNT) son estructuras fascinantes con propiedades únicas que los hacen valiosos en diversas aplicaciones.
Pero, ¿cómo se fabrican estos diminutos tubos?
El principal método utilizado es la deposición química catalítica en fase vapor (CVD).
Este proceso consiste en utilizar un catalizador metálico para hacer crecer los CNT a partir de un gas a temperaturas más bajas de lo que sería posible de otro modo.
La elección del gas y otras condiciones pueden influir significativamente en la velocidad de crecimiento y la eficiencia.
¿Cómo crecen los nanotubos de carbono? Explicación de los 5 pasos clave
1. El proceso CVD catalítico
En el proceso de CVD catalítico, se coloca un catalizador metálico, a menudo hierro, cobalto o níquel, sobre un sustrato.
Estas partículas catalizadoras actúan como sitios de nucleación para el crecimiento de los CNT.
Cuando se introduce en la cámara de reacción un gas que contiene carbono, como el metano o el etileno, éste se descompone en la superficie del catalizador a altas temperaturas, normalmente entre 500°C y 1000°C.
Los átomos de carbono del gas descompuesto se unen para formar la estructura cilíndrica de los CNT.
2. Influencia de los gases precursores y del hidrógeno
El tipo de gas precursor utilizado afecta significativamente al crecimiento de los CNT.
Gases como el metano y el etileno requieren hidrógeno para su conversión térmica antes de ser incorporados a los CNT.
El hidrógeno también puede ayudar a reducir el catalizador, haciéndolo más activo.
En cambio, el acetileno no necesita hidrógeno para su síntesis, salvo por el efecto reductor del catalizador.
Los estudios sugieren que bajas concentraciones de hidrógeno pueden promover el crecimiento de CNT ayudando a la reducción del catalizador o participando en la reacción térmica.
3. Velocidad de crecimiento y tiempo de residencia
Mantener una tasa de crecimiento óptima es crucial para una producción eficiente de CNT.
En ello influye el tiempo de residencia del gas precursor en la cámara de reacción.
Si el tiempo de residencia es demasiado corto, es posible que la fuente de carbono no se acumule lo suficiente, con el consiguiente desperdicio de material.
Si es demasiado largo, puede haber una reposición limitada de la fuente de carbono y la acumulación de subproductos, lo que puede obstaculizar el proceso de crecimiento.
4. Consumo de energía y concentración de fuentes de carbono
Las concentraciones más altas de fuentes de carbono e hidrógeno pueden aumentar el consumo de energía, pero también contribuyen a tasas de crecimiento más altas debido a la disponibilidad de precursores de carbono más directos.
Equilibrar el uso de energía y la eficiencia del crecimiento es un aspecto crítico de la optimización del proceso CVD para la producción de CNT.
5. Campos emergentes y materias primas ecológicas
Existe un interés creciente por utilizar materias primas ecológicas o residuales para la producción de CNT con el fin de reducir el impacto medioambiental.
Se están explorando métodos como la electrólisis de dióxido de carbono en sales fundidas y la pirólisis de metano.
Estos métodos pretenden convertir los gases residuales en formas sólidas de carbono, incluidos los CNT, secuestrando así las emisiones de carbono.
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