В последние годы нанотрубки активно используются в промышленности, хотя очень мало известно о самом процессе их формирования и влиянии такого производства на окружающую среду. В результате проведенных экспериментальных исследований, американским ученым удалось значительно снизить стоимость процесса и объем вредных выбросов.

Ученые выяснили, что в результате процесса, обычно используемого для производства углеродных нанотрубок, ежегодно может выделяться несколько сот тонн химических веществ, в том числе парниковых газов и опасных загрязнителей воздуха. В статье, опубликованной на прошлой неделе на сайте ACS Nano, исследователи сообщили, что в результате экспериментов, исключавших один из этапов производственного процесса (а именно нагрев углеродных газов и добавление ключевых реактивных ингредиентов), вредные выбросы сократились по крайней мере в 10 раз, а в некоторых случаях до ста. Также наполовину сократились энергозатраты производства.

Нам удалось это сделать, сохранив хороший рост нанотрубок», – говорит Дезире Плата (Desiree Plata), докторант и руководитель исследований в рамках совместной программы Массачусетского Технологического Института (МТИ) и Океанографического института Вудс-Холла в 2007–2009 годах; сейчас она работает в качестве приглашенного старшего преподавателя факультетов аэронавтики и астронавтики и гражданской и экологической техники в МТИ. В написании статьи участвовали другие ученые МТИ и Мичиганского Университета, в том числе Филип Гшвенд (Philip Gschwend) и Джон Харт (John Hart). Исследование является частью долгосрочных планов по изменению подхода к разработке материалов. Основная цель – привлечь химиков-экологов к разработке методов, предотвращающих или ограничивающих нежелательные экологические последствия производства нанотрубок.

Ученые проанализировали обычный процесс производства нанотрубок, известный как каталитическое химическое осаждение из газовой фазы. Согласно этой методике, производители смешивают водород с исходным газом, таким как метан, угарный газ (оксид углерода) или этилен. Потом эту смесь нагревают в реакторе, содержащем металлический катализатор (никель, железо и др.), в результате чего и формируются нанотрубки. Проблема в том, что не участвовавшие в реакции вещества (до 97 процентов исходного сырья) часто выделяются в атмосферу.

Выключить нагрев

В сделанном на заказ лабораторном реакторе исследователи нагревали водород и этилен, который обычно используется на крупном производстве, а потом добавляли его к металлическому катализатору. Они обнаружили, что в результате этого образуется более 40 веществ, включая парниковые газы, например, метан, и токсичные загрязнители воздуха, такие как бензол.

Ученые знали, что нагревание исходного газа играет критически важную роль в создании опасных смесей. Они предположили, что не все эти вещества необходимы для роста нанотрубок, поэтому стали соединять ненагреваемый этилен и водород с некоторыми из этих 40 веществ, один за другим, чтобы увидеть, какое из сочетаний лучше влияет на рост. Выяснилось, что определенные алкины (молекулы,которые имеют по крайней мере два атома углерода, объединенных тройной связью) показывают наилучший результат, по сравнению с другими веществами, являющимися нежелательными побочными продуктами (метан и бензол).

Рис. 1.

Такого серьезного снижения вредных выбросов и энергозатратности Плата и ее коллеги добились путем соединения алкинов комнатной температуры, этилена и водорода напрямую с металлическим катализатором, без нагревания. Кроме того, в ходе эксперимента исследователи поняли, что могут сократить количество используемых этилена и водорода (примерно на 20 и 40 процентов, соответственно), сохранив при этом скорость роста и качество нанотрубок. По мнению Плата, на основе результатов лабораторных экспериментов сложно делать какие-то общие выводы, но для рынка, объем которого, как ожидается, достигнет нескольких миллиардов долларов в течение нескольких следующих лет, эти изменения могут обернуться значительной экономией.

Реакция промышленности

Хотя еще слишком рано применять данный метод на производстве, Дэвид Лэшмур (David Lashmore), вице-президент и технический директор компании Nanocomp Technologies, расположенной в городе Конкорд, штат Нью-Гемпшир (США), считает, что его компания хотела бы опробовать эту технологию, так как они ищут способы минимизации экологических последствий производства, кроме того, это

может серьезно повлиять на экономику», – говорит он.

Плата отметила, что в исследовании МИТ был проанализирован только один из нескольких сырьевых газов, используемых для производства нанотрубок, поэтому необходимо исследовать и другие газы. Со своей стороны, она хочет сосредоточиться на загадке формирования нанотрубок, чтобы определить точный механизм взаимодействия металлического катализатора и углеводородов. Зная роль катализатора, можно научиться формировать нанотрубки атом за атомом, то есть сделать этот процесс более точным, по сравнению с существующими сегодня технологиями.

По материалам: