Carbon nanotubes grown on stainless steel for supercapacitor applications

Abstract

The ability of humans to study, manipulate and understand matter at the nanoscale has enabled us to develop materials that can combine physical, chemical, optical, magnetic and mechanical properties that bulk materials do not possess. One of the materials that triggered interest in the world of Nanoscience and Nanotechnology was carbon nanotubes (CNTs). These nanostructures had already been reported more than forty years ago, but it is not until the beginning of the 90s that Dr. Sumio Iijima manages to produce them under stable conditions in his laboratory. From that time onwards, the resources devoted to the research and production of these carbon-based materials were on the rise. Although today they do not capture the same scientific interest as they did until 2010, their importance in the scientific world and especially in the market is relevant. In fact, since the technology for the production of CNTs on an industrial scale has matured, they are found in an infinite number of applications, such as reinforcing polymers, acting as scaffolds for the growth of artificial tissue, in the manufacture of conductive inks or as part of new generation battery electrodes and supercapacitors. It is precisely in this last application that scientific interest has been focused with special attention. Together with other carbon-based materials, such as graphene, they are excellent support materials for materials with high capacitance. Research groups and companies around the world are spending a lot of resources to obtain electrodes that have a three-dimensional architecture at the nanoscale and whose specific surface is high. In that sense, the objective of this work was to synthesize CNTs on the surface of a flexible and conductive material: 304 stainless steel. We focused on optimizing the growth processes by plasma enhanced chemical vapor Deposition (PECVD) and water assisted chemical vapor deposition (WACVD) with and without the contribution of external catalyst material. In addition, as will be seen in the development of this work there is an important effort to understand the effects that thermal processes, necessary for CNTs growth, produced on the properties of steel. Especially the influence on corrosion resistance, since the final use of stainless steel CNTs is the manufacture of electrodes exposed to corrosive environments.

La capacidad de los seres humanos para estudiar, manipular y comprender la materia a escala nanométrica nos ha permitido desarrollar materiales que pueden combinar propiedades físicas, químicas, ópticas, magnéticas y mecánicas que los materiales a granel no poseen. Uno de los materiales que despertó el interés en el mundo de la Nanociencia y la Nanotecnología fueron los nanotubos de carbono (CNTs por sus siglas en inglés). Estas nanoestructuras ya habían sido reportadas hace más de cuarenta años, pero no es hasta principios de los años 90 que el Dr. Sumio Iijima logra producirlas en condiciones estables en su laboratorio. A partir de ese momento, los recursos dedicados a la investigación y producción de estos materiales basados en el carbono fueron en aumento. Aunque hoy en día no captan el mismo interés científico que hasta 2010, su importancia en el mundo científico y especialmente en el mercado es relevante. De hecho, ya que la tecnología para la producción de CNTs a escala industrial ha madurado, estos se encuentran en un gran número de aplicaciones, tales como en el refuerzo de polímeros, actuando como andamiajes para el crecimiento de tejidos artificiales, en la fabricación de tintas conductoras o como parte de los electrodos para baterías y de los supercondensadores de nueva generación. Es precisamente en esta última aplicación donde el interés científico se ha centrado con especial atención. Junto con otros materiales a base de carbono, como el grafeno, son excelentes materiales de soporte para materiales con alta capacitancia. Los grupos de investigación y las empresas de todo el mundo están invirtiendo muchos recursos en la obtención de electrodos que tienen una arquitectura tridimensional a nanoescala y cuya superficie específica es elevada. En ese sentido, el objetivo de este trabajo fue sintetizar CNTs sobre la superficie de un material flexible y conductor: el acero inoxidable 304. Nos centramos en la optimización de los procesos de crecimiento mediante el depósito químico en fase de vapor asistido por plasma (PECVD por sus siglas en inglés) y el depósito químico en fase de vapor asistido por agua (WACVD por sus siglas en inglés) con y sin la contribución de material de catalizador externo. Además, como se verá en el desarrollo de este trabajo, hubo un esfuerzo importante para entender los efectos que los procesos térmicos, necesarios para el crecimiento de CNTs, producen sobre las propiedades del acero. Especialmente la influencia en la resistencia a la corrosión, ya que el uso final de los CNTs en acero inoxidable es la fabricación de electrodos expuestos a ambientes corrosivos.