ΑΡΘΡΟ ΤΟΥ κ. ΚΩΣΤΑ ΧΑΡΙΤΙΔΗ*
Το νέο επίτευγμα του «Εργαστηρίου Προηγμένων και Συνθέτων Υλικών, Νανοϋλικών, Νανοδιεργασιών και Νανοτεχνολογίας – RNanolab» της Σχολής Χημικών Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου αφορά το σχεδιασμό και την κατασκευή ενός κατακόρυφου ημιαυτοματοποιημένου συστήματος καταλυτικής χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD, εικόνα 1), που εξασφαλίζει υψηλότερη παραγωγικότητα σε νανοσωλήνες άνθρακα (carbon nanotubes [CNTs]).
Το νέο πιλοτικό σύστημα εξασφαλίζει ταχύτητα και ευκολία κατά τη συλλογή και συσκευασία του παραγόμενου προϊόντος, και παράλληλα μειώνει τον κίνδυνο έκθεσης των εργαζομένων στα νανοϋλικά που παράγονται.
Προοπτικές και αντίκτυπος
Πολλές είναι οι προοπτικές της συγκεκριμένης πιλοτικής γραμμής, καθώς οι νανοσωλήνες άνθρακα αναμένεται να συνεισφέρουν σε πολλά σύγχρονα πεδία μελέτης και εφαρμογών. Ήδη, οι νανοσωλήνες άνθρακα παρουσιάζουν μεγάλη ζήτηση σε ένα ευρύ πεδίο προηγμένων εφαρμογών, όπως είναι εφαρμογές με σύνθετα υλικά πολυμερικής και κεραμικής μήτρας, εφαρμογές μικροηλεκτρονικής και ενέργειας, βιοϊατρικές εφαρμογές κ.ά. Είναι χαρακτηριστικό ότι η αγορά των νανοσωλήνων άνθρακα άγγιξε το 2018 τα 4 δισεκατομμύρια δολάρια παγκοσμίως.
Οι πρόδρομες ενώσεις άνθρακα που μπορούν να αξιοποιηθούν για την ανάπτυξη των υψηλής ποιότητας νανοσωλήνων άνθρακα, έχουν τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν σε κάθε φυσική κατάσταση (αέρια, υγρή και στερεή). Μάλιστα, δεδομένου του υψηλού κόστους των πρόδρομων ενώσεων, ιδιαίτερα των αέριων υδρογονανθράκων (όπως είναι μεθάνιο, ακετυλένιο κ.ά.), δίνεται ιδιαίτερη βαρύτητα στην εύρεση εναλλακτικών πηγών, με χαμηλό ή μηδενικό κόστος.
Δευτερογενείς πρόδρομες ενώσεις, όπως είναι τα απαέρια μιας διεργασίας ή τα προς ανακύκλωση πλαστικά, μπορούν να αξιοποιηθούν σε αυτή την περίπτωση με στόχο τη μείωση του κόστους σύνθεσης, καθώς και την ενίσχυση της κυκλικής και πράσινης οικονομίας (upcycling).
To upcycling αφορά τη χρήση υλικών που έχουν ολοκληρώσει τον κύκλο ζωής τους, σε μια άλλη εφαρμογή, με δυνατότητα μετατροπής των υλικών αυτών σε προϊόντα υψηλής προστιθέμενης αξίας.
Πλεονεκτήματα καταλύτη
Μια ακόμη καινοτομία που ευνοεί την εκβιομηχανοποίηση της συγκεκριμένης γραμμής παραγωγής, είναι ότι το καταλυτικό υπόστρωμα ταυτίζεται με το υλικό των τοιχωμάτων του αντιδραστήρα, που αποτελείται από κράμα ανοξείδωτου χάλυβα. Η τεχνολογία αυτή περιλαμβάνει μεθόδους οξείδωσης του υποστρώματος, κυρίως θερμικής, με διττό ρόλο:
α) Επιτρέπει την ενεργοποίηση του χάλυβα μέσω της απομάκρυνσης των οξειδίων του χρωμίου με παθητική δράση.
β) Επιτρέπει την αναγέννηση του καταλυτικού υποστρώματος από τον διαλυτοποιημένο άνθρακα στον σίδηρο ή τα άλλα μέταλλα.
Με αυτό τον τρόπο απελευθερώνεται η επιφάνεια των μετάλλων, που αεριοποιείται κατά τη διεργασία εναπόθεσης υπό την επίδραση της θερμοκρασίας μέσω του μηχανισμού metaldusting (εικόνα 2), που δίνει τα ενεργά κέντρα για την πυρηνοποίηση και την ανάπτυξη των νανοσωλήνων άνθρακα.
Άλλο ένα πλεονέκτημα της χρήσης των τοιχωμάτων του αντιδραστήρα ως καταλυτικού υποστρώματος είναι η μεγιστοποίηση της καταλυτικής επιφάνειας προς την ανάπτυξη των νανοσωλήνων άνθρακα, κάτι που αποδεικνύει ότι η παραγωγή μπορεί να μεταφερθεί σε μεγαλύτερη κλίμακα. Αυτό το γεγονός ευνοείται και από το χαμηλό κόστος διάθεσης του χάλυβα (1,5 – 3,00 ευρώ / kg).
Πλεονεκτήματα γραμμής
Ας δούμε όμως ποια είναι τα πλεονεκτήματα της γραμμής έναντι των παραδοσιακών συστημάτων καταλυτικής χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD) και τα ποιοτικά χαρακτηριστικά παραγόμενων νανοδομών.
Το κατακόρυφο σύστημα CVD που παρουσιάζεται, υπερτερεί έναντι των οριζοντίων συστημάτων που συναντώνται παραδοσιακά, καθώς συνδυάζει την τεχνική τόσο του αιωρούμενου όσο και του υποστηριζόμενου καταλύτη. Οι παράγοντες αυτοί ευνοούν τη συλλογή του υλικού κατά ένα ποσοστό 70% με την υποβοήθηση μέσω περιοδικής δόνησης των τοιχωμάτων του σωλήνα, επιτρέποντας επίτευξη παραγωγικότητας 10g/h, καθώς και απόδοση ανά μονάδα βάρους της πρόδρομης ένωσης έως και 25%.
Επειδή είναι πιθανή η δηλητηρίαση του καταλυτικού υποστρώματος από τον άνθρακα κατά τη διάρκεια της διεργασίας υψηλών θερμοκρασιών, για την αποφυγή της μειωμένης παραγωγικότητας ανά μονάδα χρόνου είναι επιθυμητό να γίνεται αναγέννηση περιοδικά, κάτι που επιτυγχάνεται με είσοδο πεπιεσμένου αέρα δίχως τη διακοπή της παραγωγής.
Τα ποιοτικά χαρακτηριστικά των νανοσωλήνων άνθρακα συνοψίζονται στην υψηλή καθαρότητα, στην ανάπτυξη δομών διαμέτρου με εύρος μεταξύ 50 και 200 nm, και σε μήκος της τάξης των 5-10μm (εικόνα 3).
Συνεπώς, κατά τη συγκεκριμένη διεργασία επιτυγχάνονται μονοδιάστατες νανοδομές άνθρακα με υψηλή τιμή λόγου μήκους προς διάμετρο (aspect ratio), κάτι το οποίο αποτελεί εξαιρετικό ποιοτικό χαρακτηριστικό για την εν λόγω εφαρμογή.
Δυνατότητες συλλογής / συσκευασίας
Στην πιλοτική γραμμή, όπως σχεδιάστηκε από το Εργαστήριο «RNanoLab», το παραγόμενο υλικό κατακρημνίζεται μέσω δόνησης και συλλέγεται σε μια ζώνη που έχει ασφαλή απόσταση από τις ενεργές θερμές ζώνες του φούρνου, ενώ είναι δυνατό η ζώνη αυτή να απομονωθεί στιγμιαία ή μόνιμα από το σώμα του αντιδραστήρα (Εικόνα 4).
Αυτό το γεγονός μπορεί να επιτρέψει δυνητικά την τοποθέτηση αυτόματης μονάδας συσκευασίας, χωρίς να απαιτείται η παρέμβαση του απασχολούμενου προσωπικού. Ως αποτέλεσμα, η μεταφορά της μονάδας σε βιομηχανική κλίμακα είναι ρεαλιστική, ενώ παράλληλα λαμβάνονται μέτρα πρόληψης της έκθεσης και περιορίζονται οι κίνδυνοι που ενέχει η απασχόληση σε μια ανάλογη μονάδα.
Πλεονεκτήματα και προοπτικές Τα συστήματα συνεχούς παραγωγής μονοδιάστατων νανοδομών άνθρακα ελκύουν το ενδιαφέρον μια και συγκεντρώνουν μια σειρά από πλεονεκτήματα:
- Χαμηλότερη θερμοκρασία αντίδρασης.
- Χαμηλότερο κόστος ανά μονάδα χρόνου.
- Υψηλή καθαρότητα προϊόντος.
- Δυνατότητα ανάπτυξης προσανατολισμένων νανοσωλήνων άνθρακα υπό προϋποθέσεις.
- Υψηλή μετατροπή αντιδρώντων.
Η πιλοτική μονάδα που αναπτύχθηκε από την επιστημονική ομάδα του RNanolab αφορά ένα πρωτότυπο σύστημα, που ενδέχεται να είναι η απόδειξη ότι μια επιστημονική ιδέα βρίσκει εφαρμογή σε πιλοτικό και δυνητικά σε βιομηχανικό επίπεδο.
Η ανάπτυξη της γραμμής συνεχούς παραγωγής ανοίγει τις δυνατότητες για το συνδυασμό της παραγωγής προϊόντων υψηλής ποιότητας στο χαμηλότερο δυνατό κόστος και με «πράσινες» προεκτάσεις, ώστε να ενισχύσει τη θέση της Ελλάδας στη σύγχρονη ευρωπαϊκή βιομηχανία των νανοϋλικών. Η βελτιστοποίηση των παραγόμενων νανοσωλήνων άνθρακα είναι καταλυτικός παράγοντας για τον ανταγωνισμό με τις ήδη υπάρχουσες τεχνολογίες.
