Les nanotubes peuvent être utilisés comme catalyseurs de différentes manières. L'une d'entre elles consiste à faire passer un courant électrique à travers eux, ce qui leur permet de donner des électrons aux molécules qui entrent en contact avec les sites de réaction. Ce processus de transfert d'électrons facilite les réactions chimiques et accélère les vitesses de réaction.
En termes de processus de production, les nanotubes peuvent être synthétisés à l'aide de différentes méthodes. Les méthodes traditionnelles comprennent l'ablation au laser et la décharge à l'arc, mais le processus commercial le plus courant aujourd'hui est le dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Les méthodes CVD modifiées impliquent l'utilisation de monoxyde de carbone comme matière première. Cependant, un domaine émergent se concentre sur l'utilisation de matières premières vertes ou de déchets pour la production de nanotubes. Par exemple, le dioxyde de carbone capturé par électrolyse dans des sels fondus peut être utilisé pour produire des nanotubes à partir de matières premières vertes. La pyrolyse du méthane, qui est la décomposition thermique directe du méthane en hydrogène et en noir de carbone solide (y compris les nanotubes), est une autre méthode qui utilise les déchets ou les sous-produits du méthane comme matière première.
Le choix de la matière première peut également affecter le processus de synthèse. Le méthane et l'éthylène nécessitent de l'hydrogène lors de la conversion thermique avant d'être dopés en nanotubes de carbone. En revanche, l'hydrogène ne joue pas un rôle significatif dans la synthèse des nanotubes via l'acétylène, sauf pour son effet réducteur sur le catalyseur. Il a été observé qu'à des concentrations d'hydrogène relativement faibles, l'hydrogène peut favoriser la croissance des nanotubes de carbone synthétisés via le méthane et l'éthylène en réduisant le catalyseur ou en participant à la réaction thermique. En outre, le taux de croissance des nanotubes synthétisés par l'éthylène est plus élevé que celui des nanotubes synthétisés par l'acétylène, ce qui suggère un "mécanisme de formation semblable à la polymérisation".
Le maintien d'un temps de résidence optimal est crucial pour obtenir un taux de croissance relativement élevé des nanotubes. Un temps de résidence trop faible peut entraîner une incapacité à accumuler une source de carbone suffisante, ce qui conduit à un gaspillage. Inversement, un temps de résidence trop élevé peut limiter le renouvellement de la source de carbone et entraîner l'accumulation de sous-produits indésirables.
Les nanotubes ont également un potentiel important dans les technologies vertes. Ils peuvent être utilisés dans des applications telles que le béton, les films et l'électronique, où leurs propriétés uniques offrent des solutions respectueuses de l'environnement. Toutefois, le marché phare des nanotubes dans les technologies vertes est celui des batteries lithium-ion. Alors que les efforts de décarbonisation stimulent l'électrification de l'automobile, les nanotubes jouent un rôle essentiel en tant qu'additifs conducteurs dans les batteries lithium-ion. Ils sont principalement utilisés dans la cathode en tant qu'élément de la pâte conductrice. La recherche explore également l'utilisation des nanotubes dans les batteries de la prochaine génération, telles que les batteries lithium-air ou lithium-soufre, ainsi que les anodes lithium-métal.
Lors de l'évaluation de l'impact environnemental des nanotubes, il est essentiel de les comparer à des matériaux alternatifs. Dans le cas des nanotubes de carbone utilisés comme additifs conducteurs, ils peuvent être comparés au noir de carbone et au graphène. Le noir de carbone présente généralement des émissions de CO2 par kilogramme plus élevées que le graphène et les nanotubes de carbone, ainsi que des exigences de charge plus élevées dans les composites. En outre, selon une étude de Michelin, les pneus renforcés par des nanotubes ont produit moins de nanoparticules que les autres nanocarbones. Le graphène, quant à lui, pose ses propres problèmes en termes d'efficacité énergétique, de besoins en eau et d'utilisation de produits chimiques agressifs dans sa méthode de production, comme celle de Hummer.
Dans l'ensemble, les nanotubes en tant que catalyseurs et leurs applications dans diverses industries sont très prometteurs pour les technologies durables et vertes.
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