Științe chimice
nanotuburi de carbon, care sunt una dintre cele mai atractive subiect de oameni de știință de cercetare, a fost sintetizat prin două metode diferite cunoscute de creștere nanotub: depunere chimică din vapori (CVD), metodă și descărcare în arc și ablatie laser. În ambele metode, un catalizator de fier acoperit cu dioxid de siliciu este utilizat pentru a crește nanotuburile de carbon.
Materiale conexe
Metode de evacuare cu arc și ablație laser
Metoda de descărcare prin arc și metoda de ablație cu laser pentru creșterea nanotuburilor se dezvoltă activ în ultimii cincisprezece ani. Aceste metode sunt, de asemenea, utilizate pentru producerea fullerenelor. Ambele metode implică condensarea atomilor de carbon obținute prin evaporarea surselor de carbon solide. Temperaturile implicate în aceste metode sunt aproape de punctul de topire al grafitului, 3000-4000 ° C. Într-un laser, temperatura de ablație poate crește la 10.000 ° C
În metoda de descărcare cu arc, atomii de carbon au fost evaporați într-o plasmă de gaz heliu, aprins de un curent mare, trecând printr-un anod opus și un catod. Această metodă a fost dezvoltată ca o metodă de obținere a nanotuburilor multistrat și a nanotuburilor cu pereți unici de înaltă calitate.
Produsele secundare ale procesului de creștere a descărcărilor arc sunt particulele de grafit multistrat sub formă de polyhedra. Purificarea nanotuburilor poate fi realizată prin încălzirea materialului într-un mediu de oxigen pentru a se oxida din particulele de grafit. Particulele grafit au o rată de oxidare mai mare decât nanotuburile; cu toate acestea, oxidarea procesului de purificare elimină, de asemenea, o porțiune semnificativă a nanotuburilor.
Creșterea nanotuburilor de carbon cu pereți unici în metoda de descărcare cu arc utilizând catalizatori metalici este, de asemenea, raportată [2]. Creșterea nanotuburilor de înaltă calitate la o scară de 1:10 a fost realizată de Smalley și de colegii săi, care au folosit metoda de ablație laser (cuptor cu laser).
Figura 1. Schema instalării experimentale a metodei de descărcare cu arc pentru nanotuburi [3].
Pe parcursul creșterii nanotuburilor prin descărcare în arc și ablatie laser de produse secundare tipice includ fullerene, poliedre grafit particulelor metalice închise și carbon amorf sub formă de particule. Procesul de curățare pentru nanotuburi a fost dezvoltat de Smalley și co-lucrătorilor și este acum utilizat pe scară largă de mulți cercetători. Metoda include refluxare nanotuburilor cultivate cu o soluție de acid azotic pentru o lungă perioadă de timp, oxidarea speciilor din carbon amorf și îndepărtarea anumitor tipuri de catalizator metalic.
Figura 2. Reprezentarea schematică a metodei de ablație laser [3].
Metoda de depunere chimică de vapori (CVD)
Metoda de depunere chimică de vapori (CVD) (Figura 3) a fost utilizată timp de 4 ani pentru a produce fibre de carbon. Ea se bazează pe descompunerea gazelor cu conținut de carbon la catalizatori metalici la temperaturi de reacție sub 1000 ° C, mult sub temperaturile implicate în metoda și metoda de descărcare în arc, ablatie laser [6].
procesul de creștere cuprinde încălzirea materialului catalitic la o temperatură ridicată într-un cuptor tubular și are hidrocarburi gazoase prin reactor tubular pe o perioadă de timp. Materialele cultivate pe catalizator sunt colectate prin răcirea sistemului la temperatura camerei. Parametrii cheie de crestere nanotub prin CVD sunt hidrocarburi, catalizator și temperatura de creștere. Particulele de catalizator active sunt de obicei nanoparticule formate pe un suport, cum ar fi alumina. Mecanismul de creștere totală nanotub în procesul CVD implică disocierea moleculelor de hidrocarburi catalizată de un metal de tranziție, precum și dizolvarea și saturația atomii de carbon de nanoparticule de metal.
Precipitarea carbonului prin particule de metal saturat conduce la formarea altor corpuri tubulare din carbon. Formarea tubilor contribuie la crearea altor forme de carbon, cum ar fi straturile de grafit cu margini expuse. Acest lucru se datorează faptului că tubul nu conține legături încurcate și, prin urmare, sub formă de energie redusă. Pentru creșterea nanotuburilor, cele mai multe metode CVD. etilena sau acetilenă este utilizată ca sursă de carbon a materiei prime și temperatura de creștere este, în general, în intervalul de 550- 900 ° C de fier, nichel sau cobalt sunt adesea folosite ca un catalizator. Motivul alegerii acestor metale ca și catalizatori pentru metoda CVD creștere nanotub este în diagramele de fază de carbon și metale. La temperaturi ridicate, carbonul are o solubilitate limitată în aceste metale, ceea ce duce la formarea de ligamente de metal-carbon și, astfel, la mecanismul de creștere. Fier, cobalt și nichel sunt de asemenea preferate metale catalitice în metodele de ablatie laser și descărcare în arc. Acest fapt simplu poate indiciu că descărcarea laser si tehnici de crestere CVD poate avea un mecanism comun de creștere nanotub, deși foarte diferite abordări sunt utilizate pentru a furniza materia primă carbon.
Figura 3. Reprezentarea schematică a configurației experimentale pentru creșterea nanotuburilor prin metoda depunerii chimice.
În toate studiile de mai sus, fierul a fost un catalizator, iar gazul C2H2 a fost sursa de carbon pentru creșterea nanotuburilor. Cu toate acestea, în multe alte studii, metale precum Ni și Co sunt utilizate ca un catalizator. Un gaz metan (CH4) a fost utilizat ca sursă de carbon pentru creșterea catalitică a nanotuburilor de carbon prin metoda CVD.
Tabelul 1. Rezultatele studiului utilizării diferitelor tipuri de catalizatori în producția de nanotuburi prin CVD
Examinând metodele de creștere nanotub de carbon poate ajunge la concluzia că metoda descărcare în arc, atomii de carbon sunt evaporate în plasma de gaz heliu aprins de un curent mare a trecut prin anod dispuse opus și catod și în metoda de ablatie laser a fost dezvoltat ca o metodă de obținere a nanotuburilor cu pereți multipli și nanotuburi de un singur perete de înaltă calitate.
Atunci când procesul de creștere a CVD metoda cuprinde încălzirea materialului catalitic la o temperatură ridicată într-un cuptor tubular și are hidrocarburi gazoase prin reactor tubular pe o perioadă de timp. Materialele cultivate pe catalizator sunt colectate prin răcirea sistemului la temperatura camerei. Parametrii cheie de crestere nanotub prin CVD sunt hidrocarburi, catalizator și temperatura de creștere.
Referințe
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: