I nanotubi possono essere utilizzati come catalizzatori in vari modi. Un metodo consiste nel far passare una corrente elettrica attraverso di essi, che permette loro di donare elettroni alle molecole che entrano in contatto con i siti di reazione. Questo processo di trasferimento di elettroni facilita le reazioni chimiche e ne accelera la velocità.
In termini di processi produttivi, i nanotubi possono essere sintetizzati con diversi metodi. I metodi tradizionali includono l'ablazione laser e la scarica ad arco, ma il processo commerciale più comune oggi è la deposizione di vapore chimico (CVD). I metodi CVD modificati prevedono l'utilizzo di monossido di carbonio come materia prima. Tuttavia, c'è un campo emergente che si concentra sull'utilizzo di materie prime verdi o di scarto per la produzione di nanotubi. Ad esempio, l'anidride carbonica catturata per elettrolisi in sali fusi può essere utilizzata per produrre nanotubi da materie prime verdi. La pirolisi del metano, che consiste nella decomposizione termica diretta del metano in idrogeno e nerofumo solido (compresi i nanotubi), è un altro metodo che utilizza il metano di scarto o sottoprodotto come materia prima.
Anche la scelta della materia prima può influenzare il processo di sintesi. Il metano e l'etilene richiedono idrogeno durante la conversione termica prima del drogaggio nei nanotubi di carbonio. D'altra parte, l'idrogeno non gioca un ruolo significativo nella sintesi dei nanotubi attraverso l'acetilene, se non per il suo effetto riducente sul catalizzatore. È stato osservato che a concentrazioni di idrogeno relativamente basse, l'idrogeno può promuovere la crescita dei nanotubi di carbonio sintetizzati tramite metano ed etilene riducendo il catalizzatore o partecipando alla reazione termica. Inoltre, il tasso di crescita dei nanotubi sintetizzati attraverso l'etilene è maggiore rispetto a quelli sintetizzati attraverso l'acetilene, suggerendo un "meccanismo di formazione simile alla polimerizzazione".
Il mantenimento di un tempo di residenza ottimale è fondamentale per ottenere un tasso di crescita relativamente elevato dei nanotubi. Un tempo di residenza troppo basso può comportare l'incapacità di accumulare una fonte di carbonio sufficiente, con conseguenti sprechi. Al contrario, un tempo di residenza troppo elevato può limitare il reintegro della fonte di carbonio e causare l'accumulo di sottoprodotti indesiderati.
I nanotubi hanno anche un potenziale significativo nelle tecnologie verdi. Possono essere utilizzati in applicazioni come il cemento, le pellicole e l'elettronica, dove le loro proprietà uniche offrono soluzioni ecologiche. Tuttavia, il mercato di punta per i nanotubi nella tecnologia verde è quello delle batterie agli ioni di litio. Poiché gli sforzi di decarbonizzazione spingono l'elettrificazione dell'automobile, i nanotubi svolgono un ruolo fondamentale come additivi conduttivi nelle batterie agli ioni di litio. Vengono utilizzati principalmente nel catodo come parte della pasta conduttiva. La ricerca sta anche esplorando l'uso dei nanotubi nelle batterie di nuova generazione, come quelle al litio-aria o al litio-zolfo, nonché negli anodi di litio-metallo.
Quando si valuta l'impatto ambientale dei nanotubi, è essenziale confrontarli con materiali alternativi. Nel caso dei nanotubi di carbonio come additivi conduttivi, possono essere confrontati con il nerofumo e il grafene. Il nero di carbonio ha in genere emissioni di CO2 più elevate per chilogrammo rispetto al grafene e ai nanotubi di carbonio, nonché requisiti di carico più elevati nei compositi. Inoltre, gli pneumatici rinforzati con nanotubi hanno mostrato un minor rilascio di nanoparticelle rispetto ad altri nanocarburi, secondo uno studio di Michelin. Il grafene, d'altra parte, ha le sue sfide in termini di efficienza energetica, requisiti idrici e uso di sostanze chimiche aggressive nel suo metodo di produzione, come quello di Hummer.
Nel complesso, i nanotubi come catalizzatori e le loro applicazioni in vari settori industriali sono molto promettenti per le tecnologie sostenibili e verdi.
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