Single wall carbon nanotubes growth over cobalt-iron mesoporous MCM-41 bimetallic catalyst under methane chemical vapor deposition, an experimental and DFT evaluation

Crecimiento de nanotubos de carbono de pared simple sobre catalizador bimetálico mesoporoso MCM-41 de cobalto-hierro bajo deposición química de vapor de metano, una evaluación experimental y por DFT

Catalizadores de cobalto y hierro MCM-41 fueron sintetizados a través de un proceso de incorporación in-situ a partir de nitratos comerciales de hierro y cobalto. La incorporación se confirmó mediante espectroscopía UV de reflectancia difusa (DRS-UV) inspeccionando las características tipo-silicato de la absorción fotónica de cobalto y hierro, y comparando con catalizadores MCM-41-Co y MCM-41-Fe puros. Además se encontró que la incorporación de cobalto y de hierro no compromete la estructura mesoporosa de MCM-41 como lo confirman las isotermas de adsorción de N2. Todos los catalizadores mostraron amplias áreas de superficie (~1100 m²g⁻¹). El rendimiento de los catalizadores se realizó en una deposición química simple de vapor de metano (CVD) preparada a 800 °C para producir nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) bajo un flujo constante de metano durante 30 minutos. Los productos de CVD se caracterizaron por medio de un análisis termogravimétrico (TGA) y por espectroscopía Raman, encontrando que el contenido de hierro en los catalizadores favorece la selectividad y producción de estructuras de tipo grafítico, y confirmando la presencia de SWCNT por la aparición de modos de respiración radial (RBM) característicos. Estos resultados fueron respaldados por simulaciones con Teoría Funcional de Densidad (DFT) de la disociación de metano (CH₄ + TM → H₃C - TMH) sobre Co_n (n = 1–5) y Co_mFe (m = 1–4), encontrando una tendencia de energía de activación diferente donde los clústeres Co_mFe (m = 1–4) tienen la energía de activación más baja. El estudio DFT también reveló una diferencia de carga (δC - δ_TM) mayor en el caso de disociación sobre Co_mFe (m = 1–4) que puede conducir a una estabilización electrostática del metal de transición, disminuyendo la energía de activación de esos clústeres y llevando a una absorción de carbono más rápida.

INTRODUCCIÓN

Los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) son uno de los materiales de carbono más excepcionales, sus singulares propiedades químicas y físicas se basan en su estructura grafítica [1, 2], que se caracteriza por una densidad de electrones π-delocalizada que confiere una reactividad especial, como un compuesto aromático, y que es fácilmente modificable químicamente con heteroátomos o grupos funcionales orgánicos. Estas propiedades los convierten en un material potencial con capacidad para formar compuestos covalentes con polímeros para aplicaciones de resistencia física mejorada [3, 4, 5].