» »

Metoda čiščenja površinskih in podzemnih voda od titana in njegovih spojin z uporabo ogljikovih nanocevk in ultrazvoka. Ogljikove nanocevke Čiščenje ogljikovih nanocevk

Ministrstvo za izobraževanje in znanost Ruske federacije

Zvezna državna ustanova za visoko strokovno izobraževanje

Ruska univerza za kemijsko tehnologijo D. I. Mendelejev

Fakulteta za naftno kemijo in polimerne materiale

stol kemijska tehnologija ogljikovih materialov

POROČILO IZ PRAKSE

na temo OGLJIKOVE NANOCEVKE IN NANOVOLKI

Izpolnil: Marinin S. D.

Preveril: doktor kemijskih znanosti, Bukharkina T.V.

Moskva, 2013

Uvod

Področje nanotehnologije po vsem svetu velja za ključno temo tehnologij 21. stoletja. Možnosti njihove vsestranske uporabe na področjih gospodarstva, kot so proizvodnja polprevodnikov, medicina, senzorska tehnika, ekologija, avtomobilska industrija, Gradbeni materiali, biotehnologija, kemija, letalstvo in astronavtika, strojništvo in tekstilna industrija imajo velik potencial za rast. Uporaba nanotehnoloških izdelkov bo prihranila pri porabi surovin in energije, zmanjšala emisije v ozračje in s tem prispevala k trajnostni razvoj gospodarstvo.

Razvoj na področju nanotehnologij nosi novo interdisciplinarno področje - nanoznanost, katere eno od področij je nanokemija. Nanokemija je vzniknila na prelomu stoletja, ko se je zdelo, da je v kemiji že vse odprto, vse jasno in preostane le še uporaba pridobljenega znanja v dobro družbe.

Kemiki že od nekdaj poznajo in dobro razumejo pomen atomov in molekul kot osnovnih gradnikov velikega kemijskega temelja. Hkrati je razvoj novih raziskovalnih metod, kot so elektronska mikroskopija, visoko selektivna masna spektroskopija, v kombinaciji s posebnimi metodami priprave vzorcev omogočil pridobivanje informacij o delcih, ki vsebujejo majhno, manj kot sto število atomov. .

Ti delci, veliki približno 1 nm (10-9 m je samo milimeter deljen z milijon), imajo nenavadne, težko predvidljive kemične lastnosti.

Najbolj znane in večini ljudi razumljive so naslednje nanostrukture, kot so fulereni, grafen, ogljikove nanocevke in nanovlakna. Vsi so sestavljeni iz atomov ogljika, ki so povezani drug z drugim, vendar se njihova oblika zelo razlikuje. Grafen je ravna, enoslojna, "tančica" ogljikovih atomov v SP 2 hibridizacija. Fulereni so zaprti poligoni, ki nekoliko spominjajo na nogometno žogo. Nanocevke so cilindrična votla volumetrična telesa. Nanovlakna so lahko stožci, valji, sklede. V svojem delu bom poskušal izpostaviti ravno nanocevke in nanovlakna.

Zgradba nanocevk in nanovlaken

Kaj so ogljikove nanocevke? Ogljikove nanocevke so ogljikov material, ki je valjasta struktura s premerom nekaj nanometrov, sestavljena iz grafitnih ravnin, zvitih v cev. Grafitna ravnina je neprekinjena šesterokotna mreža z atomi ogljika na ogliščih šestkotnikov. Ogljikove nanocevke se lahko razlikujejo po dolžini, premeru, kiralnosti (simetriji zvite grafitne ravnine) in številu plasti. Kiralnost<#"280" src="/wimg/13/doc_zip1.jpg" />

Enostenske nanocevke. Enostenske ogljikove nanocevke (SWCNT) so podvrsta ogljikovih nanovlaken s strukturo, ki nastane z zlaganjem grafena v valj, katerega stranice so spojene brez šiva. Zvijanje grafena v valj brez šiva je možno le na končno število načinov, ki se razlikujejo v smeri dvodimenzionalnega vektorja, ki povezuje dve enakovredni točki na grafenu, ki sovpadata, ko ga zvijemo v valj. Ta vektor se imenuje vektor kiralnosti enoslojne ogljikove nanocevke. Tako se enostenske ogljikove nanocevke razlikujejo po premeru in kiralnosti. Premer enostenskih nanocevk se po eksperimentalnih podatkih giblje od ~ 0,7 nm do ~ 3-4 nm. Dolžina enostenske nanocevke lahko doseže 4 cm.Poznamo tri oblike SWCNT: ahiralni tip "stol" (dve strani vsakega šestkotnika sta usmerjeni pravokotno na os CNT), ahiralni "cikcak" tip (dve strani vsakega šesterokotnik je usmerjen vzporedno z osjo CNT) in kiralno ali vijačno (vsaka stranica šesterokotnika se nahaja na os CNT pod kotom, ki ni 0 in 90° º ). Tako so za akiralne CNT tipa "naslonjač" značilni indeksi (n, n), tipa "cikcak" - (n, 0), kiralni - (n, m).

Število plasti v MWCNT najpogosteje ni večje od 10, vendar v posamezne primere doseže nekaj deset.

Včasih med večplastnimi nanocevkami kot posebno vrsto izpostavimo dvoslojne nanocevke. Struktura tipa "ruske lutke" je niz koaksialno ugnezdenih cilindričnih cevi. Druga vrsta te strukture je niz ugnezdenih koaksialnih prizem. Nazadnje, zadnja od teh struktur spominja na zvitek (zvitek). Za vse strukture na sl. karakteristična vrednost razdalje med sosednjimi plastmi grafena, blizu vrednosti 0,34 nm, ki je lastna razdalji med sosednjima ravninama kristalnega grafita<#"128" src="/wimg/13/doc_zip3.jpg" />

Ruska matrjoška v zvitku Papier-mache

Ogljikova nanovlakna (CNF) so razred materialov, v katerih so ukrivljene plasti grafena ali nanokonusi zloženi v enodimenzionalni filament, katerega notranjo strukturo lahko označimo s kotom α med plastmi grafena in osjo vlakna. Ena skupna razlika je med dvema glavnima vrstama vlaken: ribja kost z gosto zloženimi stožčastimi plastmi grafena in velikim α ter bambusom z valjastimi čašastimi plastmi grafena in majhnim α, ki so bolj podobni večstenskim ogljikovim nanocevkam.<#"228" src="/wimg/13/doc_zip4.jpg" />

a - "stolpec za kovance" iz nanovlaken;

b - nanovlakna "struktura božičnega drevesa" (skup stožcev, "ribja kost");

c - "kup skodelic" iz nanovlaken ("senčniki");

d - nanocevka "Ruska matrjoška";

e - nanovlakna v obliki bambusa;

e - nanovlakna s sferičnimi deli;

g - nanovlakno s poliedričnimi deli

Ločitev v ločeno podvrsto ogljikove nanocevke ker se njihove lastnosti močno razlikujejo v boljša stran od lastnosti drugih vrst ogljikovih nanovlaken. To je razloženo z dejstvom, da ima grafenska plast, ki tvori steno nanocevke po vsej dolžini, visoko natezno trdnost, toplotno in električno prevodnost. V nasprotju s tem se prehodi iz ene plasti grafena v drugo dogajajo v ogljikovih nanovlaknih, ki se premikajo vzdolž stene. Prisotnost medslojnih stikov in visoka pomanjkljivost strukture nanovlaken bistveno poslabša njihove fizikalne lastnosti.

Zgodba

Težko je ločeno govoriti o zgodovini nanocevk in nanovlaken, saj ti produkti med sintezo pogosto spremljajo drug drugega. Eden prvih podatkov o proizvodnji ogljikovih nanovlaken je verjetno patent Hughesa in Chambersa iz leta 1889 za proizvodnjo cevastih oblik ogljika, ki nastanejo med pirolizo zmesi CH4 in H2 v železnem lončku. Uporabili so mešanico metana in vodika za gojenje ogljikovih filamentov s pirolizo plina, čemur je sledilo obarjanje ogljika. O zanesljivi pridobitvi teh vlaken je postalo mogoče govoriti veliko kasneje, ko je bilo mogoče preučevati njihovo strukturo z elektronskim mikroskopom. Prvo opazovanje ogljikovih nanovlaken z uporabo elektronske mikroskopije sta v zgodnjih petdesetih letih prejšnjega stoletja izvedla sovjetska znanstvenika Radushkevich in Lukyanovich, ki sta objavila članek v Sovjetski reviji za fizikalno kemijo, ki prikazuje votla grafitna vlakna ogljika s premerom 50 nanometrov. V zgodnjih sedemdesetih letih prejšnjega stoletja sta japonska raziskovalca Koyama in Endo uspela izdelati ogljikova vlakna s parnim nanašanjem (VGCF) s premerom 1 µm in dolžino več kot 1 mm. Kasneje, v zgodnjih osemdesetih letih, sta Tibbets v ZDA in Benissad v Franciji nadaljevala z izboljševanjem postopka ogljikovih vlaken (VGCF). V ZDA potekajo bolj poglobljene raziskave o sintezi in lastnostih teh materialov za praktična uporaba, je izvedel R. Terry K. Baker in jih je motivirala potreba po zatiranju rasti ogljikovih nanovlaken zaradi vztrajnih težav, ki jih povzroča kopičenje materiala v različnih komercialnih procesih, zlasti na področju rafiniranja nafte. Prvi poskus komercializacije ogljikovih vlaken, vzgojenih iz plinske faze, je naredilo japonsko podjetje Nikosso leta 1991 pod blagovno znamko Grasker, istega leta pa je Ijima objavil svoj slavni članek o odkritju ogljikovih nanocevk.<#"justify">potrdilo o prejemu

Trenutno se uporabljajo predvsem sinteze na osnovi pirolize ogljikovodikov ter sublimacije in desublimacije grafita.

  • ločna metoda,
  • sevalno ogrevanje (uporaba sončnih koncentratorjev ali laserskega sevanja),
  • lasersko toplotno,
  • segrevanje z elektronskim ali ionskim žarkom,
  • sublimacija v plazmi,
  • uporovno ogrevanje.

Mnoge od teh možnosti imajo svoje različice. Hierarhija nekaterih variant metode električnega obloka je prikazana na diagramu:

Trenutno je najpogostejša metoda toplotno razprševanje grafitnih elektrod v plazmi praznjenja obloka. Postopek sinteze poteka v komori, napolnjeni s helijem, pri tlaku približno 500 mm Hg. Umetnost. Pri plazemskem zgorevanju pride do intenzivnega toplotnega izhlapevanja anode, na čelni površini katode pa se tvori usedlina, v kateri nastajajo ogljikove nanocevke. Največje število nanocevk nastane, ko je plazemski tok minimalen in je njegova gostota okoli 100 A/cm2. V eksperimentalnih napravah je napetost med elektrodama približno 15–25 V, razelektritveni tok je nekaj deset amperov, razdalja med koncema grafitnih elektrod pa je 1–2 mm. Med procesom sinteze se približno 90 % mase anode odloži na katodo. Nastale številne nanocevke imajo dolžino približno 40 μm. Rastejo na katodi pravokotno na ravno površino njenega konca in so zbrani v valjaste žarke s premerom približno 50 μm.

Snopi nanocevk redno prekrivajo površino katode in tvorijo strukturo satja. Vsebnost nanocevk v usedlinah ogljika je približno 60 %. Za ločevanje komponent nastalo oborino damo v metanol in obdelamo z ultrazvokom. Rezultat je suspenzija, ki jo po dodatku vode ločimo v centrifugi. Veliki delci se oprimejo sten centrifuge, medtem ko nanocevke ostanejo lebdeče v suspenziji. Nato nanocevke speremo v dušikovi kislini in posušimo v plinastem toku kisika in vodika v razmerju 1:4 pri temperaturi 750 °C. 0C 5 minut. Kot rezultat takšne obdelave dobimo lahek porozen material, sestavljen iz številnih nanocevk s povprečnim premerom 20 nm in dolžino 10 μm. Do sedaj je največja dosežena dolžina nanovlaken 1 cm.

Piroliza ogljikovodikov

Pri izbiri začetnih reagentov in načinov izvajanja procesov ima ta skupina bistveno več možnosti kot metode sublimacije in desublimacije grafita. Zagotavlja natančnejši nadzor nad procesom nastajanja CNT, je primernejši za velikoserijsko proizvodnjo in omogoča proizvodnjo ne le samih ogljikovih nanomaterialov, ampak tudi določenih struktur na podlagah, makroskopskih vlaken, sestavljenih iz nanocevk, pa tudi kompozitnih materialov, zlasti modificirana z ogljikovimi CNT, ogljikova vlakna in karbon papir, keramični kompoziti. Z nedavno razvito nanosferično litografijo je bilo mogoče pridobiti fotonske kristale iz CNT. Na ta način je mogoče izolirati CNT določenega premera in dolžine.

Prednosti pirolitske metode poleg tega vključujejo možnost njene uporabe za matrično sintezo, na primer z uporabo poroznih membran aluminijevega oksida ali molekularnih sit. Z uporabo aluminijevega oksida je mogoče pridobiti razvejane CNT in CNT membrane. Glavne pomanjkljivosti matrične metode so visoki stroški številnih matric, njihova majhnost ter potreba po uporabi aktivnih reagentov in težkih pogojev za raztapljanje matrik.

Za sintezo CNT in CNF se najpogosteje uporablja piroliza treh ogljikovodikov, metana, acetilena in benzena, ter termična razgradnja (disproporcionacija) CO. Metan, tako kot ogljikov monoksid, ni nagnjen k razgradnji pri nizkih temperaturah (nekatalitična razgradnja metana se začne pri ~900 približno C), kar omogoča sintetizacijo SWCNT z relativno majhno količino nečistoč amorfnega ogljika. Ogljikov monoksid se pri nizkih temperaturah ne razgradi iz drugega razloga: kinetičnega. Razlika v obnašanju različnih snovi je vidna na sl. 94.

Prednosti metana pred drugimi ogljikovodiki in ogljikovim monoksidom vključujejo dejstvo, da je njegova piroliza s tvorbo CNT ali CNF združena s sproščanjem H 2in se lahko uporablja v obstoječih produkcijah N 2.

katalizatorji

Katalizatorji za nastanek CNT in CNF so Fe, Co in Ni; promotorji, ki jih vnesemo v manjših količinah, so predvsem Mo, W ali Cr (redkeje - V, Mn, Pt in Pd), nosilci katalizatorjev so nehlapni oksidi in hidroksidi kovin (Mg, Ca, Al, La, Si). , Ti, Zr), trdne raztopine, nekatere soli in minerali (karbonati, spineli, perovskiti, hidrotalcit, naravne gline, diatomiti), molekularna sita (zlasti zeoliti), silikagel, aerogel, aluminijev gel, porozni Si in amorfni C Hkrati so V, Cr, Mo, W, Mn in verjetno nekatere druge kovine v pogojih pirolize v obliki spojin - oksidov, karbidov, metalatov itd.

Žlahtne kovine (Pd, Ru, PdSe), zlitine (mischmetal, permalloy, nichrome, monel, nerjaveče jeklo, Co-V, Fe-Cr, Fe-Sn, Fe-Ni-Cr, Fe-Ni-C, Co-Fe-Ni, trda zlitina Co-WC itd.), CoSi 2in CoGe 2, LaNi 5, MmNi 5(Mm - mischmetal), zlitine Zr in drugih kovin, ki tvorijo hidrid. Nasprotno, Au in Ag zavirata nastanek CNT.

Katalizatorje lahko nanesemo na silicij, prevlečen s tankim oksidnim filmom, na germanij, nekatere vrste stekla in podlage iz drugih materialov.

Porozni silicij, pridobljen z elektrokemičnim jedkanjem monokristalnega silicija v raztopini določene sestave, velja za idealen nosilec katalizatorja. Porozni silicij lahko vsebuje mikropore (< 2 нм), мезопоры и макропоры (>100 nm). Za pridobivanje katalizatorjev se uporabljajo tradicionalne metode:

  • mešanje (redko sintranje) praškov;
  • nanašanje ali elektrokemično nanašanje kovin na substrat, ki mu sledi preoblikovanje neprekinjenega tankega filma v otoke nanovelikosti (uporablja se tudi nanašanje več kovin po plasteh;
  • nanašanje s kemično paro;
  • potapljanje substrata v raztopino;
  • nanašanje suspenzije delcev katalizatorja na substrat;
  • nanašanje raztopine na vrteči se substrat;
  • impregnacija inertnih praškov s solmi;
  • koprecipitacija oksidov ali hidroksidov;
  • ionska izmenjava;
  • koloidne metode (sol-gel postopek, metoda reverznih micelov);
  • termična razgradnja soli;
  • zgorevanje kovinskih nitratov.

Poleg zgoraj opisanih dveh skupin je bilo razvitih veliko drugih metod za pridobivanje CNT. Lahko jih razvrstimo glede na uporabljene vire ogljika. Izhodne spojine so: grafit in druge oblike trdnega ogljika, organske spojine, anorganske spojine, organokovinske spojine. Grafit je mogoče pretvoriti v CNT na več načinov: z intenzivnim krogličnim mletjem, ki mu sledi visokotemperaturno žarjenje; elektroliza staljenih soli; delitev na ločene grafenske plošče in kasnejše spontano zvijanje teh plošč. Amorfni ogljik se lahko pretvori v CNT pri obdelavi v hidrotermalnih pogojih. CNT so pridobivali iz saj (saj) z visokotemperaturno transformacijo s katalizatorji ali brez njih ter z interakcijo z vodno paro pod pritiskom. Nanotubularne strukture vsebujejo produkti vakuumskega žarjenja (1000 približno C) filmi diamantu podobnega ogljika v prisotnosti katalizatorja. Nazadnje, katalitična visokotemperaturna transformacija fulerita C 60ali njegova obdelava v hidrotermalnih pogojih vodi tudi do nastanka CNT.

Ogljikove nanocevke obstajajo v naravi. Skupina mehiških raziskovalcev jih je našla v vzorcih olja, vzetih iz globine 5,6 km (Velasco-Santos, 2003). Premer CNT je bil od nekaj nanometrov do deset nanometrov, dolžina pa je dosegla 2 μm. Nekatere so bile napolnjene z različnimi nanodelci.

Čiščenje ogljikovih nanocevk

Nobena od običajnih metod za pridobivanje CNT ne omogoča njihove izolacije v čisti obliki. Nečistoče NT so lahko fulereni, amorfni ogljik, grafitizirani delci, delci katalizatorja.

  1. uničujoče,
  2. nedestruktivno,
  3. kombinirano.

Destruktivne metode uporabljajo kemične reakcije, ki so lahko oksidativne ali reduktivne in temeljijo na razlikah v reaktivnosti različnih oblik ogljika. Za oksidacijo uporabljamo raztopine oksidantov ali plinaste reagente, za redukcijo pa vodik. Metode omogočajo izolacijo CNT-jev visoke čistosti, vendar so povezane z izgubo cevi.

Nedestruktivne metode vključujejo ekstrakcijo, flokulacijo in selektivno obarjanje, mikrofiltracijo s prečnim tokom, izključitveno kromatografijo, elektroforezo, selektivno reakcijo z organskimi polimeri. Te metode so praviloma neučinkovite in neučinkovite.

Lastnosti ogljikovih nanocevk

Mehanski. Nanocevke so, kot rečeno, izjemno trden material, tako na napetost kot na upogib. Poleg tega se pod delovanjem mehanskih napetosti, ki presegajo kritične, nanocevke ne "zlomijo", ampak se prerazporedijo. Na podlagi lastnosti visoke trdnosti nanocevk lahko trdimo, da so trenutno najboljši material za privez za vesoljska dvigala. Kot kažejo rezultati poskusov in numerična simulacija, Youngov modul enoslojne nanocevke doseže vrednosti reda velikosti 1-5 TPa, kar je za red velikosti več kot pri jeklu. Spodnji graf prikazuje primerjavo med enostensko nanocevko in jeklom visoke trdnosti.

1 2

Ocenjuje se, da kabel vesoljskega dvigala vzdrži mehansko obremenitev 62,5 GPa

Natezni diagram (odvisnost mehanske napetosti σ od raztezka ε)

Za prikaz pomembne razlike med najtrpežnejšimi na ta trenutek materialov in ogljikovih nanocevk, naredimo naslednji miselni poskus. Predstavljajte si, da bo, kot je bilo predpostavljeno prej, določena klinasta homogena struktura, sestavljena iz najtrpežnejših materialov do danes, služila kot kabel za vesoljsko dvigalo, potem bo premer kabla na GEO (geostacionarna zemeljska orbita) približno 2 km in se bo na površini Zemlje zožil na 1 mm. V tem primeru bo skupna masa 60 * 1010 ton. Če bi kot material uporabili ogljikove nanocevke, potem je bil premer kabla na GEO 0,26 mm, na površini Zemlje pa 0,15 mm, zato je bila skupna masa 9,2 tone. Kot je razvidno iz zgornjih dejstev, so ogljikova nanovlakna točno tisti material, ki je potreben za izdelavo kabla, katerega dejanski premer bo približno 0,75 m, da bo vzdržal tudi elektromagnetni sistem, ki se uporablja za pogon kabine vesoljskega dvigala.

Električni. Zaradi majhnosti ogljikovih nanocevk je bilo šele leta 1996 mogoče neposredno izmeriti njihovo električno upornost s štirikrako metodo.

Zlati trakovi so bili v vakuumu naneseni na površino poliranega silicijevega oksida. Mednje so bile odložene nanocevke dolžine 2–3 µm. Nato smo štiri volframove prevodnike debeline 80 nm nanesli na eno od nanocevk, izbranih za merjenje. Vsak od volframovih vodnikov je imel stik z enim od zlatih trakov. Razdalja med kontakti na nanocevki je bila od 0,3 do 1 μm. Rezultati neposrednih meritev so pokazali, da se upornost nanocevk lahko spreminja v znatnem območju - od 5,1 * 10 -6do 0,8 ohm/cm. Najmanjša upornost je za red velikosti manjša kot pri grafitu. Večina nanocevk ima kovinsko prevodnost, manjši del pa ima lastnosti polprevodnika s prepovedanim pasom od 0,1 do 0,3 eV.

Francoski in ruski raziskovalci (iz IPTM RAS, Černogolovka) so odkrili še eno lastnost nanocevk, to je superprevodnost. Izmerili so tokovno-napetostne karakteristike posamezne enostenske nanocevke s premerom ~1 nm, zvite v snop velikega števila enostenskih nanocevk, kot tudi posamezne večplastne nanocevke. Med dvema superprevodnima kovinskima kontaktoma so opazili superprevodni tok pri temperaturi blizu 4K. Značilnosti prenosa naboja v nanocevki se bistveno razlikujejo od tistih, ki so značilne za običajne tridimenzionalne prevodnike in so očitno razložene z enodimenzionalno naravo prenosa.

Ugotovil je tudi de Geer z univerze v Lausanni (Švica). zanimiva lastnina: ostra (približno dva reda velikosti) sprememba prevodnosti z rahlim, za 5-10°, upogibom enoslojne nanocevke. Ta lastnost lahko razširi obseg nanocevk. Po eni strani se nanocevka izkaže kot pripravljen visoko občutljiv pretvornik mehanskih tresljajev v električni signal in obratno (v resnici gre za nekaj mikronov dolg telefonski sprejemnik s premerom približno nanometra) in , po drugi strani pa je praktično že pripravljen senzor najmanjših deformacij. Tak senzor bi lahko uporabili v napravah, ki spremljajo stanje mehanskih komponent in delov, od katerih je odvisna varnost ljudi, na primer potnikov vlakov in letal, osebja jedrskih in termoelektrarn itd.

Kapilarna. Eksperimenti so pokazali, da ima odprta nanocevka kapilarne lastnosti. Za odpiranje nanocevke je potrebno odstraniti zgornji del - pokrovček. Eden od načinov za odstranitev je žarjenje nanocevk pri temperaturi 850 0C nekaj ur v toku ogljikovega dioksida. Zaradi oksidacije je približno 10 % vseh nanocevk odprtih. Drug način za uničenje zaprtih koncev nanocevk je izpostavljenost koncentrirani dušikovi kislini za 4,5 ure pri temperaturi 2400 C. Kot rezultat te obdelave postane 80% nanocevk odprtih.

Prve raziskave kapilarnih pojavov so pokazale, da tekočina prodre v kanal nanocevke, če njena površinska napetost ni višja od 200 mN/m. Zato se za vnašanje kakršnih koli snovi v nanocevke uporabljajo topila z nizko površinsko napetostjo. Na primer, koncentrirana dušikova kislina, katere površinska napetost je nizka (43 mN/m), se uporablja za vnos nekaterih kovin v kanal nanocevk. Nato se izvede žarjenje pri 4000 C 4 ure v atmosferi vodika, kar vodi do redukcije kovine. Na ta način so bile pridobljene nanocevke, ki vsebujejo nikelj, kobalt in železo.

Poleg kovin lahko ogljikove nanocevke napolnimo s plinastimi snovmi, kot je molekularni vodik. Ta sposobnost je praktičnega pomena, saj odpira možnost varnega shranjevanja vodika, ki se lahko uporablja kot okolju prijazno gorivo v motorjih z notranjim zgorevanjem. Prav tako je znanstvenikom uspelo v nanocevko postaviti celo verigo fulerenov z že vgrajenimi atomi gadolinija. (glej sliko 5).

riž. 5. Znotraj C60 znotraj enostenske nanocevke

Kapilarni učinki in polnjenje nanocevk

električni oblok ogljikove pirolize nanocevk

Kapilarni pojavi v ogljikovih nanocevkah so bili prvič eksperimentalno izvedeni v delu, kjer so opazovali učinek kapilarne retrakcije staljenega svinca v nanocevke. V tem poskusu smo med elektrodama s premerom 0,8 in dolžino 15 cm vžgali električni oblok, namenjen za sintezo nanocevk, pri napetosti 30 V in toku 180–200 A. Plast materiala 3–4 cm visoko, ki nastane na površini katode kot posledica termičnega uničenja površine anode, odstranimo iz komore in pustimo 5 ur pri T = 850 °C v toku ogljikovega dioksida. Ta operacija, zaradi katere je vzorec izgubil približno 10% mase, je prispevala k čiščenju vzorca iz delcev amorfnega grafita in odkritju nanocevk v oborini. Osrednji del oborine, ki vsebuje nanocevke, smo dali v etanol in obdelali z ultrazvokom. Oksidacijski produkt, dispergiran v kloroformu, smo nanesli na ogljikov trak z luknjami za opazovanje z elektronskim mikroskopom. Kot so pokazala opazovanja, so imele cevi, ki niso bile obdelane, brezšivno strukturo, glave pravilne oblike in premer od 0,8 do 10 nm. Zaradi oksidacije se je izkazalo, da ima približno 10 % nanocevk poškodovane kapice, nekatere plasti pri vrhu pa so bile odtrgane. Vzorec z nanocevkami, namenjen opazovanju, smo v vakuumu napolnili s kapljicami staljenega svinca, ki smo jih dobili z obsevanjem kovinske površine z elektronskim žarkom. V tem primeru so na zunanji površini nanocevk opazili kapljice svinca velikosti od 1 do 15 nm. Nanocevke smo žarili na zraku pri Т = 400°С (nad tališčem svinca) 30 minut. Kot kažejo rezultati opazovanj s pomočjo elektronskega mikroskopa, se je po žarjenju izkazalo, da so nekatere nanocevke napolnjene s trdnim materialom. Podoben učinek polnjenja nanocevk smo opazili pri obsevanju glav cevi, odprtih kot posledica žarjenja, z močnim elektronskim žarkom. Pri dovolj močnem obsevanju se material ob odprtem koncu cevi stopi in prodre v notranjost. Prisotnost svinca v ceveh je bila ugotovljena z rentgensko difrakcijo in elektronsko spektroskopijo. Premer najtanjše svinčene žice je bil 1,5 nm. Glede na rezultate opazovanj število napolnjenih nanocevk ni preseglo 1%.

Ogljikove nanocevke so prihodnost inovativnih tehnologij. Proizvodnja in uvedba nanotubulenov bo izboljšala kakovost blaga in izdelkov, znatno zmanjšala njihovo težo in povečala trdnost ter jim dala nove lastnosti.

Ogljikove nanocevke ali cevasta nanostruktura (nanotubulen) so eno- ali večstenske votle cilindrične strukture, umetno ustvarjene v laboratoriju, pridobljene iz ogljikovih atomov in imajo izjemne mehanske, električne in fizikalne lastnosti.

Ogljikove nanocevke so narejene iz ogljikovih atomov in so oblikovane kot cevi ali valji. So zelo majhni (na nanometru), s premerom od enega do nekaj deset nanometrov in dolžino do nekaj centimetrov. Ogljikove nanocevke so sestavljene iz grafita, vendar imajo druge značilnosti, ki niso značilne za grafit. V naravi ne obstajajo. Njihov izvor je umeten. Telo nanocevk je sintetično, ustvarili so ga ljudje neodvisno od začetka do konca.

Če pogledate milijonkrat povečano nanocevko, lahko vidite podolgovat valj, sestavljen iz enakostraničnih šesterokotnikov z atomi ogljika na vrhovih. To je grafitna ravnina, zvita v cev. Kiralnost nanocevke določa njene fizikalne značilnosti in lastnosti.

Milijonkrat povečana je nanocevka podolgovat valj, sestavljen iz enakostraničnih šesterokotnikov z atomi ogljika na vrhovih. To je grafitna ravnina, zvita v cev.

Kiralnost je lastnost molekule, da v prostoru ne sovpada s svojo zrcalno sliko.

Bolj jasno, kiralnost je, ko na primer enakomerno zložite list papirja. Če poševno, potem je to že akhirality. Nanotubuleni imajo lahko enoplastno in večplastno strukturo. Večplastna struktura ni nič drugega kot več enoslojnih nanocevk, "oblečenih" ena na ena.

Zgodovina odkritij

Natančen datum odkritja nanocevk in njihov odkritelj nista znana. Ta tema je hrana za razpravo in sklepanje, saj obstaja veliko vzporednih opisov teh struktur s strani znanstvenikov iz različne države. Glavna težava pri prepoznavanju odkritelja je v dejstvu, da nanocevke in nanovlakna, ki so padla v vidno polje znanstvenikov, dolgo niso pritegnila njihove pozornosti in niso bila natančno preučena. Obstoječe znanstveno delo dokazujejo, da je bila možnost ustvarjanja nanocevk in vlaken iz materialov, ki vsebujejo ogljik, teoretično dovoljena v drugi polovici prejšnjega stoletja.

Glavni razlog, zakaj resne študije mikronskih ogljikovih spojin dolgo niso bile izvedene, je ta, da takrat znanstveniki niso imeli dovolj močne znanstvene baze za raziskovanje, namreč ni bilo opreme, ki bi lahko predmet proučevanja razširila na zahtevani obseg in prosojnost njihove strukture.

Če dogodke pri preučevanju nanoogljikovih spojin uredimo v kronološkem vrstnem redu, potem prvi dokazi padejo na leto 1952, ko sta sovjetska znanstvenika Raduškevič in Lukjanovič opozorila na nanovlakneno strukturo, ki nastane pri termičnem razkroju ogljikovega monoksida (rusko ime je oksid). ). Struktura, opazovana z uporabo opreme elektronskega mikroskopa, je imela vlakna s premerom približno 100 nm. Na žalost stvari niso šle dlje od popravljanja nenavadne nanostrukture in nadaljnje raziskave niso sledile.

Po 25 letih pozabe, od leta 1974, informacije o obstoju mikronskih cevastih struktur iz ogljika začnejo prihajati v časopise. Torej, skupina japonskih znanstvenikov (T. Koyama, M. Endo, A. Oberlin) med raziskavami v letih 1974-1975. širši javnosti predstavili rezultate številnih svojih študij, ki so vsebovale opis tankih cevi s premerom manj kot 100 Å, ki so bile pridobljene iz hlapov pri kondenzaciji. Tudi nastanek votlih struktur z opisom strukture in mehanizma nastajanja, pridobljenega pri preučevanju lastnosti ogljika, so leta 1977 opisali sovjetski znanstveniki Inštituta za katalizo Sibirske podružnice Akademije znanosti ZSSR.

Å (Agström) - enota za merjenje razdalj, enaka 10−10 m V sistemu SI je enota, ki je blizu vrednosti angstromu, nanometer (1 nm = 10 Å).

Fulereni so votle sferične molekule v obliki žoge ali žoge za ragbi.


Fulereni so četrta, prej neznana modifikacija ogljika, ki jo je odkril angleški kemik in astrofizik Harold Kroto.

In šele potem, ko so v svojih znanstvenih raziskavah uporabili najnovejšo opremo, ki jim omogoča podrobno proučevanje in osvetlitev ogljikove strukture nanocevk, je japonski znanstvenik Sumio Iijima leta 1991 izvedel prvo resnejšo raziskavo, s katero so ogljikove nanocevke eksperimentalno izvedli. pridobljeno in podrobno preučeno..

V svoji raziskavi je profesor Ijima razpršeni grafit izpostavil razelektritvi električnega obloka, da je dobil prototip. Prototip je bil natančno premerjen. Njegove dimenzije so pokazale, da premer filamentov (karkase) ne presega nekaj nanometrov, z dolžino od enega do nekaj mikronov. Pri preučevanju strukture ogljikove nanocevke so znanstveniki ugotovili, da ima predmet, ki ga proučujemo, lahko od ene do več plasti, ki jih sestavlja grafitna šesterokotna mreža, ki temelji na šesterokotnikih. V tem primeru so konci nanocevk strukturno podobni polovici molekule fulerena, prerezani na dva dela.

V času zgornjih študij so že obstajala dela tako znanih znanstvenikov na svojem področju, kot je Jones, L.A. Chernozatonsky, M.Yu. Kornilov, ki napoveduje možnost nastanka te alotropne oblike ogljika, opisuje njegovo strukturo, fizikalne, kemijske in druge lastnosti.


Večplastna struktura nanocevke ni nič drugega kot več enoslojnih nanocevk, "oblečenih" ena na ena po principu ruskih gnezdečih lutk.

Elektrofizikalne lastnosti

Elektrofizične lastnosti ogljikovih nanocevk so pod največjim nadzorom znanstvenih skupnosti po vsem svetu. Z načrtovanjem nanocevk v določenih geometrijskih razmerjih jim je mogoče dati prevodne ali polprevodniške lastnosti. Na primer, diamant in grafit sta oba ogljik, vendar imata zaradi razlik v molekularni strukturi različne in v nekaterih primerih nasprotne lastnosti. Takšne nanocevke imenujemo kovinske ali polprevodniške.

Nanocevke, ki prevajajo elektriko tudi pri absolutni ničelni temperaturi, so kovinske. Ničelna prevodnost električnega toka pri absolutni ničli, ki narašča z naraščajočo temperaturo, kaže na značilnost polprevodniške nanostrukture.

Glavna klasifikacija je razdeljena glede na metodo zgibanja grafitne ravnine. Način zgibanja je označen z dvema številkama: "m" in "n", ki določata smer zgibanja vzdolž vektorjev grafitne mreže. Lastnosti nanocevk so odvisne od geometrije zgibanja grafitne ravnine, na primer kot zasuka neposredno vpliva na njihove elektrofizične lastnosti.

Glede na parametre (n, m) so lahko nanocevke: ravne (ahiralne), nazobčane (»fotelj«), cik-cak in vijačne (kiralne). Za izračun in načrtovanje električne prevodnosti se uporablja formula za razmerje parametrov: (n-m) / 3.

Celo število, dobljeno pri izračunu, označuje prevodnost nanocevke kovinskega tipa, delno število pa označuje vrsto polprevodnika. Na primer, vse cevi tipa "stol" so kovinske. Ogljikove nanocevke kovinskega tipa prevajajo električni tok pri absolutni ničli. Nanotubuleni polprevodniškega tipa imajo ničelno prevodnost pri absolutni ničli, ki se povečuje z naraščajočo temperaturo.

Nanocevke s kovinsko vrsto prevodnosti lahko prepuščajo približno milijardo amperov na kvadratni centimeter. Baker, ki je eden najboljših kovinskih prevodnikov, je v teh indikatorjih več kot tisočkrat slabši od nanocevk. Ko je meja prevodnosti presežena, pride do segrevanja, ki ga spremljata taljenje materiala in uničenje molekularne mreže. To se pri nanotubulenih pod enakimi pogoji ne zgodi. To je posledica njihove zelo visoke toplotne prevodnosti, ki je dvakrat večja od diamanta.

Tudi po trdnosti nanotubulen pušča daleč za seboj druge materiale. Je 5–10-krat močnejša od najmočnejših jeklenih zlitin (1,28–1,8 TPa po Youngovem modulu) in ima 100-tisočkrat večjo elastičnost kot guma. Če primerjamo kazalnike natezne trdnosti, potem presegajo podobne lastnosti trdnosti visokokakovostnega jekla za 20–22-krat!

Kako do ZN

Nanocevke pridobivamo z visokotemperaturnimi in nizkotemperaturnimi metodami.

Visokotemperaturne metode vključujejo lasersko ablacijo, solarno tehnologijo ali razelektritev z električnim oblokom. Nizkotemperaturna metoda je vključevala kemično parno nanašanje s katalitično razgradnjo ogljikovodikov, katalitično rast v plinski fazi iz ogljikovega monoksida, proizvodnjo z elektrolizo, toplotno obdelavo polimerov, lokalno nizkotemperaturno pirolizo ali lokalno katalizo. Vse metode so težko razumljive, visokotehnološke in zelo drage. Proizvodnjo nanocevk si lahko privošči le veliko podjetje z močno znanstveno bazo.

Poenostavljeno je postopek pridobivanja nanocevk iz ogljika z obločno metodo naslednji:

Plazmo v plinastem stanju vnašamo v reaktor, segret na določeno temperaturo z zaprtim krogotokom preko injekcijske naprave. V reaktorju so v zgornjem in spodnjem delu nameščene magnetne tuljave, od katerih je ena anoda, druga pa katoda. Magnetne tuljave se napajajo s konstantnim električnim tokom. Na plazmo v reaktorju deluje električni oblok, ki ga vrti tudi magnetno polje. Pod delovanjem visokotemperaturnega elektroplazemskega obloka s površine anode, ki je sestavljena iz materiala, ki vsebuje ogljik (grafita), ogljik izhlapi ali se "izloči" in kondenzira na katodi v obliki ogljikovih nanocevk, ki jih vsebuje oborina. Da se ogljikovi atomi lahko kondenzirajo na katodi, se temperatura v reaktorju zniža. Že kratek opis te tehnologije omogoča oceno kompleksnosti in stroškov pridobivanja nanotubulenov. Preteklo bo veliko časa, preden bo proces proizvodnje in uporabe na voljo večini podjetij.

Fotogalerija: Shema in oprema za pridobivanje nanocevk iz ogljika

Naprava za sintezo enostenskih ogljikovih nanocevk z metodo električnega obloka Znanstvena naprava majhne moči za pridobivanje cevaste nanostrukture
Nizkotemperaturna proizvodna metoda

Naprava za proizvodnjo dolgih ogljikovih nanocevk

Ali so strupeni?

Vsekakor da.

V postopku laboratorijske raziskave znanstveniki so prišli do zaključka, da ogljikove nanocevke negativno vplivajo na žive organizme. To pa potrjuje toksičnost nanocevk in vse manj je treba, da znanstveniki dvomijo o tem pomembnem vprašanju.

Študije so pokazale, da neposredna interakcija ogljikovih nanocevk z živimi celicami povzroči njihovo smrt. Zlasti enostenske nanocevke imajo močno protimikrobno delovanje. Poskuse so znanstveniki začeli izvajati na skupni kulturi kraljestva bakterij (E. coli) E-Coli. V procesu raziskav so bile uporabljene enoslojne nanocevke s premerom od 0,75 do 1,2 nanometra. Kot so pokazali poskusi, se zaradi vpliva ogljikovih nanocevk na živo celico celične stene (membrane) mehansko poškodujejo.

Nanocevke, pridobljene z drugimi metodami, vsebujejo veliko količino kovin in drugih strupenih primesi. Številni znanstveniki domnevajo, da sama toksičnost ogljikovih nanocevk ni odvisna od njihove morfologije, ampak je neposredno povezana z nečistočami, ki jih vsebujejo (nanocevke). Vendar pa je delo, ki so ga opravili znanstveniki z Yala na področju raziskav nanocevk, pokazalo napačno predstavo o številnih skupnostih. Tako so bile bakterije Escherichia coli (E-Coli) v procesu raziskave enourno obdelane z enostenskimi ogljikovimi nanocevkami. Zaradi tega je večina E-Coli umrla. Te študije na področju nanomaterialov so potrdile njihovo toksičnost in negativen vpliv na žive organizme.

Znanstveniki so prišli do zaključka, da so najbolj nevarne enostenske nanocevke, kar je posledica sorazmernega razmerja med dolžino ogljikove nanocevke in njenim premerom.

Različne študije o vplivu ogljikovih nanocevk na človeško telo so pripeljale znanstvenike do zaključka, da je učinek enak, kot pri vdoru azbestnih vlaken v telo. Stopnja negativnega vpliva azbestnih vlaken je neposredno odvisna od njihove velikosti: manjša je, močnejši je negativni vpliv. In v primeru ogljikovih nanocevk ni dvoma o njihovem negativnem vplivu na telo. Ko vstopi v telo z zrakom, se nanocevka usede skozi poprsnico v prsnem košu in s tem povzroči resne zaplete, zlasti rakave tumorje. Če pride do prodiranja nanotubulov v telo s hrano, se usedejo na stene želodca in črevesja ter povzročajo različne bolezni in zaplete.

Trenutno znanstveniki izvajajo raziskave o biološki združljivosti nanomaterialov in iščejo nove tehnologije za varno proizvodnjo ogljikovih nanocevk.

možnosti

Ogljikove nanocevke imajo širok spekter uporabe. To je posledica dejstva, da imajo molekularno strukturo v obliki ogrodja, kar jim omogoča, da imajo lastnosti, ki se razlikujejo od lastnosti diamanta ali grafita. Prav zaradi svojih posebnosti (trdnost, prevodnost, upogib) se ogljikove nanocevke uporabljajo pogosteje kot drugi materiali.

Ta ogljikov izum se uporablja v elektroniki, optiki, strojništvu itd. Ogljikove nanocevke se uporabljajo kot dodatki k različnim polimerom in kompozitom za povečanje trdnosti molekularnih spojin. Navsezadnje vsi vedo, da ima molekularna mreža ogljikovih spojin neverjetno moč, zlasti v čisti obliki.

Ogljikove nanocevke se uporabljajo tudi pri izdelavi kondenzatorjev in različnih vrst senzorjev, anod, ki so nujne za izdelavo baterij, kot absorber elektromagnetnega valovanja. Ta ogljikova spojina je našla široko uporabo na področju proizvodnje telekomunikacijskih omrežij in zaslonov s tekočimi kristali. Nanocevke se uporabljajo tudi kot ojačevalec katalitičnih lastnosti pri proizvodnji svetlobnih naprav.

Komercialna aplikacija

trg Aplikacija Lastnosti sestavkov na osnovi ogljikovih nanocevk
AvtomobiliDeli sistema za gorivo in cevi za gorivo (konektorji, deli črpalke, o-obročki, cevi), zunanji deli telesa za elektrolakiranje (odbijači, ohišja ogledal, pokrovi rezervoarjev za gorivo)Izboljšano ravnotežje lastnosti v primerjavi s sajami, možnost recikliranja velikih delov, odpornost na deformacije
elektronikaTehnološka orodja in oprema, kasete za rezine, tekoči trakovi, hrbtne plošče, oprema za čiste prostoreIzboljšana čistost mešanic v primerjavi z ogljikovimi vlakni, nadzor površinske upornosti, obdelovalnost za vlivanje tankih delov, odpornost na deformacijo, ravnotežje lastnosti, alternativne možnosti plastičnih mešanic v primerjavi z ogljikovimi vlakni

Ogljikove nanocevke niso omejene na določen obseg uporabe v različne industrije industrija. Material je bil izumljen relativno nedavno in se v zvezi s tem trenutno pogosto uporablja v znanstvenem razvoju in raziskavah v mnogih državah sveta. To je potrebno za podrobnejšo študijo lastnosti in značilnosti ogljikovih nanocevk, pa tudi za vzpostavitev obsežne proizvodnje materiala, saj trenutno zavzema precej šibek položaj na trgu.


Ogljikove nanocevke se uporabljajo za hlajenje mikroprocesorjev.

Zaradi dobrih prevodnih lastnosti je uporaba ogljikovih nanocevk v strojništvu zelo široka. Ta material se uporablja kot naprave za hlajenje agregatov velikih dimenzij. To je predvsem posledica dejstva, da imajo ogljikove nanocevke visoko specifično toplotno prevodnost.

Uporaba nanocevk pri razvoju računalniške tehnologije igra pomembno vlogo v elektronski industriji. Zahvaljujoč uporabi tega materiala je bila vzpostavljena proizvodnja za izdelavo precej ravnih zaslonov. To prispeva k proizvodnji računalniške opreme kompaktnih dimenzij, hkrati pa se tehnične lastnosti elektronskih računalnikov ne izgubijo, ampak celo povečajo. Uporaba ogljikovih nanocevk v razvoju računalniške tehnologije in elektronske industrije bo omogočila proizvodnjo opreme, ki bo večkrat boljša od Tehnične specifikacije sedanji kolegi. Na podlagi teh študij že nastajajo visokonapetostni kineskopi.


Prvi procesor za ogljikove nanocevke

Težave z uporabo

Eden od problemov uporabe nanocevk je negativen vpliv na žive organizme, kar postavlja pod vprašaj uporabo tega materiala v medicini. Nekateri strokovnjaki menijo, da lahko v procesu množične proizvodnje ogljikovih nanocevk obstajajo necenjena tveganja. To pomeni, da bo zaradi razširitve obsega nanocevk obstajala potreba po njihovi proizvodnji v velikem obsegu in s tem nevarnost za okolje.

Znanstveniki predlagajo iskanje načinov za rešitev tega problema z uporabo okolju prijaznejših metod in metod za proizvodnjo ogljikovih nanocevk. Predlagano je bilo tudi, da proizvajalci tega materiala resno pristopijo k vprašanju "čiščenja" posledic procesa CVD, kar lahko posledično vpliva na povečanje stroškov izdelkov.

Fotografija negativnega vpliva nanocevk na celice a) celice bakterije Escherichia coli pred izpostavljenostjo nanocevkam; b) celice po izpostavljenosti nanocevkam

V sodobnem svetu ogljikove nanocevke pomembno prispevajo k razvoju inovativnih tehnologij. Strokovnjaki napovedujejo povečanje proizvodnje nanocevk v prihodnjih letih in znižanje cen teh izdelkov. To pa bo razširilo področje uporabe nanocevk in povečalo povpraševanje potrošnikov na trgu.


Lastniki patenta RU 2430879:

Izum se nanaša na nanotehnologijo in se lahko uporablja kot komponenta kompozitnih materialov. Večplastne ogljikove nanocevke se pridobivajo s pirolizo ogljikovodikov z uporabo katalizatorjev, ki vsebujejo aktivne sestavine Fe, Co, Ni, Mo, Mn in njihove kombinacije ter Al 2 O 3, MgO, CaCO 3 kot nosilci. Nastale nanocevke se prečistijo z vrenjem v raztopini klorovodikove kisline, čemur sledi izpiranje z vodo. Po kislinski obdelavi poteka segrevanje v toku argona visoke čistosti v peči s temperaturnim gradientom. V delovnem območju peči je temperatura 2200-2800°C. Na robovih peči je temperatura 900-1000°C. UČINEK: Izum omogoča pridobivanje večplastnih nanocevk z vsebnostjo kovinskih primesi manj kot 1 ppm. 3 w.p. f-ly, 9 ilustr., 3 tab.

Izum se nanaša na proizvodnjo večplastnih ogljikovih nanocevk (MWNT) visoke čistosti z vsebnostjo kovinskih primesi manj kot 1 ppm, ki se lahko uporabljajo kot komponente kompozitnih materialov za različne namene.

Za množično proizvodnjo MWCNT se uporabljajo metode, ki temeljijo na pirolizi ogljikovodikov ali ogljikovega monoksida v prisotnosti kovinskih katalizatorjev na osnovi kovin podskupine železa [T.W.Ebbesen // Carbon nanotubes: Preparation and properties, CRC Press, 1997, str.139- 161; V.Shanov, Yeo-Heung Yun, M.J.Schuiz // Sinteza in karakterizacija materialov ogljikovih nanocevk (pregled) // Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 2006, št. 4, v.41, str.377-390 ; J. W. Seo; A. Magrez; M. Milas; K.Lee, V Lukovac, L.Forro // Katalitično gojene ogljikove nanocevke: od sinteze do toksičnosti // Journal of Physics D (Applied Physics), 2007, v.40, n.6]. Zaradi tega MWCNT, pridobljeni z njihovo pomočjo, vsebujejo nečistoče kovin uporabljenih katalizatorjev. Hkrati so za številne aplikacije, na primer za ustvarjanje elektrokemičnih naprav in pridobivanje kompozitnih materialov za različne namene, potrebni MWCNT visoke čistosti, ki ne vsebujejo kovinskih nečistoč. MWCNT visoke čistosti so predvsem potrebni za pripravo kompozitnih materialov, izpostavljenih visokotemperaturni obdelavi. To je posledica dejstva, da so anorganski vključki lahko katalizatorji za lokalno grafitizacijo in posledično sprožijo nastanek novih napak v strukturi ogljika [AS Fialkov // Ogljik, vmesne spojine in kompoziti na njegovi osnovi, Aspect Press, Moskva , 1997, strani 588-602]. Mehanizem katalitičnega delovanja kovinskih delcev temelji na interakciji kovinskih atomov z ogljikovo matrico s tvorbo kovinsko-ogljičnih delcev, čemur sledi sproščanje novih grafitom podobnih tvorb, ki lahko uničijo strukturo kompozita. Zato lahko že majhne kovinske nečistoče povzročijo kršitev enakomernosti in morfologije kompozitnega materiala.

Najpogostejše metode čiščenja katalitičnih ogljikovih nanocevk pred nečistočami temeljijo na njihovi obdelavi z mešanico kislin različnih koncentracij pri segrevanju, pa tudi v kombinaciji z izpostavljenostjo mikrovalovnemu sevanju. Vendar pa je glavna pomanjkljivost teh metod uničenje sten ogljikovih nanocevk zaradi izpostavljenosti močnim kislinam, pa tudi pojav velikega števila nezaželenih funkcionalnih skupin, ki vsebujejo kisik, na njihovi površini, kar otežuje izbrati pogoje za obdelavo s kislino. V tem primeru je čistost pridobljenih MWCNT 96-98 mas.%, saj so kovinski delci katalizatorja inkapsulirani v notranji votlini ogljikove nanocevke in so nedostopni reagentom.

Povečanje čistosti MWCNT je mogoče doseči z njihovim segrevanjem pri temperaturah nad 1500 °C ob ohranjanju strukture in morfologije ogljikovih nanocevk. Te metode omogočajo ne samo čiščenje MWCNT iz kovinskih nečistoč, temveč tudi prispevajo k urejanju strukture ogljikovih nanocevk zaradi žarjenja majhnih napak, povečanja Youngovega modula, zmanjšanja razdalje med grafitnimi plastmi in odstranitev površinskega kisika, kar dodatno zagotavlja enakomernejšo disperzijo ogljikovih nanocevk v polimerni matriki, potrebno za boljšo kompozitni materiali. Žganje pri temperaturi približno 3000°C povzroči nastanek dodatnih napak v strukturi ogljikovih nanocevk in razvoj že obstoječih napak. Treba je opozoriti, da čistost ogljikovih nanocevk, pridobljenih z opisanimi metodami, ni večja od 99,9%.

Izum rešuje problem razvoja metode čiščenja večslojnih ogljikovih nanocevk, pridobljenih s katalitično pirolizo ogljikovodikov, s skoraj popolno odstranitvijo nečistoč katalizatorja (do 1 ppm), kot tudi nečistoč drugih spojin, ki se lahko pojavijo med kislinsko obdelavo MWCNT. , hkrati pa ohranja morfologijo ogljikovih nanocevk.

Problem rešujemo z metodo čiščenja večplastnih ogljikovih nanocevk, pridobljenih s pirolizo ogljikovodikov z uporabo katalizatorjev, ki vsebujejo Fe, Co, Ni, Mo, Mn in njihove kombinacije kot aktivne komponente ter Al 2 O 3 , MgO, CaCO 3 kot nosilci, ki se izvajajo z vrenjem v raztopini klorovodikove kisline z nadaljnjim izpiranjem z vodo, po obdelavi s kislino se segrevanje izvaja v toku argona visoke čistosti v peči s temperaturnim gradientom, v delovnem območju je temperatura 2200-2800 ° C, na robovih peči je temperatura 900-1000 ° C, zaradi česar dobimo večplastne nanocevke z vsebnostjo kovinskih nečistoč manj kot 1 ppm.

Ogrevanje se izvaja v ampulah iz grafita visoke čistosti.

Čas segrevanja v argonovem toku je na primer 15–60 min.

Uporabite argon s čistostjo 99,999%.

Bistvena razlika metode je uporaba peči s temperaturnim gradientom za čiščenje MWCNT, kjer kovinske nečistoče izhlapijo v vroči coni, kovinski delci pa kondenzirajo v obliki majhnih kroglic v hladni coni. Za izvedbo prenosa kovinskih hlapov se uporablja tok argona visoke čistosti (s čistočo 99,999%) s pretokom plina približno 20 l/h. Peč je opremljena s posebnimi tesnili, ki preprečujejo izpostavljenost atmosferskim plinom.

Predhodna desorpcija vode in kisika iz zraka s površine MWCNT in grafitne ampule, v kateri je vzorec postavljen v grafitno peč, ter njihovo čiščenje z argonom visoke čistosti omogoča izogibanje reakcijam transporta plina, ki vključujejo vodik- in plini, ki vsebujejo kisik, kar vodi do prerazporeditve ogljika med njegovimi visoko razpršenimi oblikami in dobro kristaliziranimi grafitom podobnimi oblikami z nizko površinsko energijo (V.L. Kuznetsov, Yu.V. Butenko, V.I. Zaikovskii in A.L. Chuvilin // Procesi prerazporeditve ogljika v nanoogljikih // Carbon 42 (2004) str.1057-1061; A. S. Fialkov // Procesi in naprave za proizvodnjo praškastih karbonsko-grafitnih materialov, Aspect Press, Moskva, 2008, str. 510-514).

Katalitske ogljikove večplastne nanocevke pridobivamo s pirolizo ogljikovodikov z uporabo katalizatorjev, ki vsebujejo Fe, Co, Ni, Mo in njihove kombinacije kot aktivne sestavine ter Al 2 O 3 , MgO, CaCO 3 kot nosilce (T. W. Ebbesen // Carbon nanotubes: Preparation in lastnosti, CRC Press, 1997, str.139-161 V.Shanov, Yeo-Heung Yun, M.J.Schuiz // Sinteza in karakterizacija materialov ogljikovih nanocevk (pregled) // Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 2006, 4, v.41, str.377-390; J. W. Seo; A. Magrez; M. Milas; K. Lee, V Lukovac, L. Forro // Katalitično gojene ogljikove nanocevke: od sinteze do toksičnosti / / Journal of Physics D (uporabna fizika), 2007, v.40, št.6).

V predlagani metodi se za prikaz možnosti odstranjevanja nečistoč najbolj značilnih kovin izvaja čiščenje dveh vrst MWCNT, sintetiziranih na Fe-Co/Al 2 O 3 in Fe-Co/CaCO 3 katalizatorjih, ki vsebujejo Fe in Co v razmerje 2:1. Ena najpomembnejših značilnosti uporabe teh katalizatorjev je odsotnost drugih ogljikovih faz v sintetiziranih vzorcih, razen MWCNT. V prisotnosti katalizatorja Fe-Co/Al 2 O 3 dobimo MWCNT s povprečnim zunanjim premerom 7-10 nm, v prisotnosti katalizatorja Fe-Co/CaCO 3 pa MWCNT z velikimi povprečnimi zunanjimi premeri Dobimo 22-25 nm.

Dobljene vzorce pregledamo s transmisijsko elektronsko mikroskopijo, rentgensko fluorescenco z analizatorjem ARL-Advant"x z Rh anodo rentgenske cevi (natančnost meritve ± 10%) in izmerimo specifično površino vzorcev. po metodi BET.

Glede na TEM so originalni vzorci sestavljeni iz zelo okvarjenih MWCNT (sl. 1, 6). Fragmenti cevi v območju zavojev imajo gladke, zaobljene konture; na površini cevi opazimo veliko število fulerenom podobnih tvorb. Grafenu podobne plasti nanocevk so značilne po prisotnosti velikega števila napak (zlomi, Y-podobni spoji itd.). V nekaterih delih cevi obstaja neskladje v številu plasti na različnih straneh MWCNT. Slednje kaže na prisotnost odprtih razširjenih grafenskih plasti, ki so večinoma lokalizirane znotraj cevi. Elektronsko mikroskopske slike segretih MWCNT v toku argona visoke čistosti pri temperaturah 2200°C - sl.2, 7; 2600°C - sl.3, 8; 2800°C - sl. 4, 5, 9. V vzorcih po kalcinaciji so opazili bolj enakomerne MWCNT z manjšim številom notranjih in površinskih napak. Cevi so sestavljene iz pravokotnih fragmentov velikosti več sto nanometrov z jasno definiranimi pregibi. S povišanjem temperature kalcinacije se povečajo dimenzije ravnih odsekov. Število plasti grafena v stenah cevi z različnih strani postane enako, zaradi česar je struktura MWCNT bolj urejena. Tudi notranja površina cevi je podvržena pomembnim spremembam - kovinski delci so odstranjeni, notranje predelne stene postanejo bolj urejene. Poleg tega so konci cevi zaprti - pride do zaprtja plasti grafena, ki tvorijo cevi.

Žganje vzorcev pri 2800 °C povzroči nastanek majhne količine povečanih cilindričnih ogljikovih formacij, sestavljenih iz grafenskih plasti, ugnezdenih druga v drugo, kar je lahko povezano s prenosom ogljika na kratke razdalje zaradi povečanja grafitnih hlapov. pritisk.

Študije vzorcev začetnih in segretih MWCNT z rentgensko spektralno fluorescenco so pokazale, da se po segrevanju vzorcev večstenskih ogljikovih nanocevk pri temperaturah v območju 2200–2800 °C količina nečistoč zmanjša, kar potrjuje tudi transmisijska elektronska mikroskopija. Segrevanje vzorcev MWCNT pri 2800°С zagotavlja skoraj popolno odstranitev nečistoč iz vzorcev. V tem primeru se odstranijo ne le nečistoče kovin katalizatorja, temveč tudi nečistoče drugih elementov, ki vstopajo v MWCNT na stopnjah kislinske obdelave in pranja. V začetnih vzorcih je razmerje med železom in kobaltom približno 2:1, kar ustreza začetni sestavi katalizatorjev. Vsebnost aluminija v originalnih ceveh, pridobljenih na vzorcih katalizatorja Fe-Co/Al 2 O 3, je nizka, kar je povezano z njegovo odstranitvijo pri obdelavi nanocevk s kislino med izpiranjem katalizatorja. Rezultati študije vsebnosti nečistoč z metodo rentgenske spektralne fluorescence so prikazani v tabelah 1 in 2.

Merjenje specifične površine z metodo BET je pokazalo, da se z naraščajočo temperaturo specifična površina vzorcev MWCNT neznatno spremeni, struktura in morfologija ogljikovih nanocevk pa se ohranita. Po podatkih TEM je lahko zmanjšanje specifične površine povezano tako z zaprtjem koncev MWCNT kot z zmanjšanjem števila površinskih napak. S povišanjem temperature lahko nastane nepomemben delež povečanih valjastih tvorb s povečanim številom plasti in razmerjem dolžina/širina približno 2–3, kar prav tako prispeva k zmanjšanju specifične površine. Rezultati študije specifične površine so prikazani v tabeli 3.

Bistvo izuma ponazarjajo naslednji primeri, tabele (tabele 1-3) in ilustracije (sl.1-9).

Del MWCNT (10 g), pridobljenega s pirolizo etilena v prisotnosti katalizatorja Fe-Co/Al 2 O 3 v pretočnem kvarčnem reaktorju pri temperaturi 650-750 °C, damo v grafitno ampulo 200. mm višine in 45 mm zunanjega premera ter zaprta s pokrovom (premera 10 mm) z luknjo (premera 1-2 mm). Grafitno ampulo damo v kvarčno ampulo in z vakuumsko črpalko izčrpamo zrak do tlaka najmanj 10 -3 Torr, čemur sledi prečiščevanje z argonom visoke čistosti (čistost 99,999%), najprej pri sobni temperaturi, nato pri temperaturi 200-230°C za odstranitev površinskih skupin, ki vsebujejo kisik, in sledi vode. Vzorec segrevamo pri temperaturi 2200°C 1 uro v toku argona visoke čistosti (~20 l/h) v peči s temperaturnim gradientom, kjer vzdržujemo temperaturo v delovnem območju 2200°C. , na robovih peči pa je temperatura 900-1000 ° C. Kovinski atomi, ki med segrevanjem izhlapevajo iz MWCNT, se s tokom argona odstranijo iz vročega dela peči v hladen del, kjer se kovina nalaga v obliki majhnih kroglic.

Po kalcinaciji dobljeni material pregledamo z metodo transmisijske elektronske mikroskopije in rentgensko spektralno fluorescenčno metodo. Slika 1 prikazuje elektronsko mikroskopske slike originalnih MWCNT, slika 2 - segrete pri 2200 °C MWCNT. Z uporabo metode BET se določi specifična površina vzorcev MWCNT pred in po kalcinaciji. Dobljeni podatki kažejo na rahlo zmanjšanje specifične površine vzorcev po kalcinaciji v primerjavi s specifično površino začetnega vzorca MWCNT.

Podobno kot v primeru 1, ki se razlikuje po tem, da vzorec začetnih MWCNT segrevamo pri 2600 °C 1 uro v pretoku argona visoke čistosti (~20 l/h) v peči s temperaturnim gradientom, kjer je temperatura v delovni cono vzdržujemo pri 2600°C, za Temperatura na robovih pečice je 900-1000°C. Slike segretih MWCNT, pridobljene s transmisijsko elektronsko mikroskopijo, so prikazane na sliki 3. Slike TEM z visoko ločljivostjo prikazujejo zaprte konce nanocevk.

Podobno kot v primeru 1, ki se razlikuje po tem, da vzorec začetnih MWCNT segrevamo pri 2800°C 15 min v toku argona visoke čistosti (~20 l/h) v peči s temperaturnim gradientom, kjer temperatura v delovno območje vzdržujemo pri 2800°C, za Temperatura na robovih pečice je 900-1000°C. Slike segretih MWCNT, pridobljene s transmisijsko elektronsko mikroskopijo, so prikazane na sliki 4.

Vžig pri 2800°C povzroči nastanek majhnega števila povečanih valjastih tvorb s povečanim številom plasti in razmerjem med dolžino in širino približno 2-3. Te povečave so vidne na slikah TEM (slika 5).

Analogno primeru 1, označen s tem, da izvirni MWCNT dobimo v prisotnosti katalizatorja Fe-Co/CaCO3. Slike prvotnih MWCNT in MWCNT, segretih pri 2200 °C, pridobljene s transmisijsko elektronsko mikroskopijo, so prikazane na sl. 6 oziroma 7. Slike TEM originalnih MWCNT prikazujejo kovinske delce, inkapsulirane v cevnih kanalih (označenih s puščicami).

Analogno primeru 4, označen s tem, da je vzorec originalnega MWCNT segret na 2600°C. Slike segretih MWCNT, pridobljene s transmisijsko elektronsko mikroskopijo, so prikazane na sliki 8. Slike TEM z visoko ločljivostjo prikazujejo zaprte konce nanocevk.

Analogno primeru 4, označen s tem, da je vzorec originalnega MWCNT segrevan pri 2800 °C 15 min. Slike segretih MWCNT, pridobljene s transmisijsko elektronsko mikroskopijo, so prikazane na sliki 9. Slike prikazujejo nastanek majhnega deleža povečav.

Tabela 1
Podatki rentgenske spektralne fluorescenčne metode o vsebnosti nečistoč v MWCNT po segrevanju, pridobljeni z uporabo katalizatorja Fe-Co/Al 2 O 3
Element
Začetni MWCNT MWCNT_2200°C primer 1 MWCNT_2600°C, primer 2 MWCNT_2800°C primer 3
Fe 0.136 0.008 sledi sledi
torej 0.0627 sledi sledi sledi
Al 0.0050 sledi sledi sledi
Sa sledi 0.0028 0.0014 sledi
Ni 0.0004 sledi sledi sledi
Si 0.0083 0.0076 sledi št
Ti št 0.0033 sledi sledi
S sledi št št št
Cl 0.111 št št št
sn 0.001 0.001 sledi sledi
Ba št št št št
Cu 0.001 0.001 sledi sledi
sledi - vsebnost elementa pod 1 ppm
tabela 2
Podatki rentgensko spektralne fluorescenčne metode o vsebnosti nečistoč v MWCNT po segrevanju, pridobljeni s katalizatorjem Fe-Co/CaCO 3
Element Ocena vsebnosti nečistoč, ut.%
Začetni MWCNT MWCNT_2200°C primer 4 MWCNT_2600°C primer 5 MWCNT_2800°C, primer 6
Fe 0.212 0.0011 0.0014 0.001
torej 0.0936 sledi sledi sledi
Al 0.0048 sledi sledi sledi
Sa 0.0035 0.005 0.0036 sledi
Ni 0.0003 sledi sledi sledi
Si 0.0080 0.0169 0.0098 sledi
Ti št sledi 0.0021 0.0005
S 0.002 št št št
Cl 0.078 št št št
sn 0.0005 sledi sledi sledi
Ba 0.008 št št št
Cu sledi sledi sledi sledi
Tabela 3
BET specifična površina začetnih in segretih vzorcev MWCNT
vzorec MWCNT (katalizator) S utripov, m2/g (±2,5 %)
MWNT_ref (Fe-Co/Al 2 O 3) 390
MWCNT_2200 (Fe-Co/Al 2 O 3) primer 1 328
MWCNT_2600 (Fe-Co/Al 2 O 3) primer 2 302
MWCNT_2800 (Fe-Co/Al 2 O 3) primer 3 304
MWNT_ref (Fe-Co/СаСО 3) 140
MWCNT_2200 (Fe-Co/CaCO 3) primer 4 134
MWCNT_2600 (Fe-Co/CaCO 3) primer 5 140
MWCNT_2800 (Fe-Co/CaCO 3) primer 6 134

Podpisi slik:

Slika 1. Elektronsko mikroskopske slike začetnega vzorca MWCNT, sintetiziranega na katalizatorju Fe-Co/Al 2 O 3. Na levi je TEM slika nizke ločljivosti. Na desni, spodaj, TEM slika visoke ločljivosti, ki prikazuje okvarjene stene MWCNT.

Slika 2. Elektronsko mikroskopske slike vzorca MWCNT, segretega pri temperaturi 2200°С, sintetiziranega na katalizatorju Fe-Co/Al 2 O 3. Na levi je TEM slika nizke ločljivosti. Spodaj desno, TEM slika visoke ločljivosti. Struktura MWCNT postane manj defektna, konci nanocevk se zaprejo.

Slika 3. Elektronsko mikroskopske slike vzorca MWCNT, segretega pri temperaturi 2600°С, sintetiziranega na katalizatorju Fe-Co/Al 2 O 3. Na levi je TEM slika nizke ločljivosti. Na desni spodaj je TEM slika visoke ločljivosti, ki prikazuje zaprte konce MWCNT. Stene MWCNT postanejo bolj gladke in manj poškodovane.

Slika 4. Elektronsko mikroskopske slike vzorca MWCNT, segretega pri temperaturi 2800°С, sintetiziranega na katalizatorju Fe-Co/Al 2 O 3. Na levi je TEM slika nizke ločljivosti. Spodaj desno TEM slika visoke ločljivosti, ki prikazuje manj okvarjene stene MWCNT.

Slika 5. Elektronsko mikroskopske slike vzorca MWCNT, segretega pri temperaturi 2800 °C, sintetiziranega na katalizatorju Fe-Co/Al 2 O 3, ki prikazujejo pojav napak v strukturi MWCNT, ki so valjaste tvorbe, sestavljene iz plasti grafena, vgnezdenih v vsako drugi, ki so prikazani na zgornji desni TEM sliki visoke ločljivosti.

Slika 6. Elektronsko mikroskopske slike začetnega vzorca MWCNT, sintetiziranega na Fe-Co/CaCO 3 katalizatorju. Na levi je TEM slika nizke ločljivosti. Na desni spodaj je TEM slika visoke ločljivosti, ki prikazuje neravno površino MWCNT. Desno na vrhu so vidni delci katalizatorja, inkapsulirani znotraj kanalov ogljikovih nanocevk (označeno s puščicami).

Slika 7. Elektronsko mikroskopske slike vzorca MWCNT, segretega pri temperaturi 2200°С, sintetiziranega na katalizatorju Fe-Co/CaCO 3. Na levi je TEM slika nizke ločljivosti. Na desni spodaj je TEM slika visoke ločljivosti, ki prikazuje bolj gladke stene MWCNT.

Slika 8. Elektronsko mikroskopske slike vzorca MWCNT, segretega pri temperaturi 2600°С, sintetiziranega na katalizatorju Fe-Co/CaCO 3. Na levi je TEM slika nizke ločljivosti. Na desni spodaj je TEM slika visoke ločljivosti, ki prikazuje zaprte konce MWCNT. Stene MWCNT postanejo bolj gladke in manj poškodovane.

Slika 9. Elektronsko mikroskopske slike vzorca MWCNT, segretega pri temperaturi 2800°С, sintetiziranega na katalizatorju Fe-Co/CaCO 3. Na levi je TEM slika nizke ločljivosti. Spodaj desno, TEM slika visoke ločljivosti.

1. Metoda čiščenja večplastnih ogljikovih nanocevk, pridobljenih s pirolizo ogljikovodikov z uporabo katalizatorjev, ki vsebujejo Fe, Co, Ni, Mo, Mn in njihove kombinacije kot aktivne komponente, kot tudi Al 2 O 3 , MgO, CaCO 3 - kot nosilce, z vrenje v raztopini klorovodikove kisline z nadaljnjim izpiranjem z vodo, označeno s tem, da se po obdelavi s kislino segreva v toku argona visoke čistosti v peči s temperaturnim gradientom, kjer je temperatura v delovnem območju 2200- 2800 ° C, na robovih peči je temperatura 900-1000 ° C, kar ima za posledico večplastne nanocevke z vsebnostjo kovinskih nečistoč manj kot 1 ppm.

2. Postopek po zahtevku 1, označen s tem, da se segrevanje izvaja v ampulah iz grafita visoke čistosti.

v žveplovi kislini, ki vsebuje kromov anhidrid. Vendar pa je potrebna predhodna odstranitev velikega deleža zrnc nanodiamantov. Literatura 1. Spitsyn B.V., Davidson J.L., Gradoboev M.N., Galuško T.B., Serebryakova N.V., Karpukhina T.A., Kulakova I.I., Melnik N.N. Vstop v modifikacijo detonacijskega nanodiamanta // Diamond in sorodni materiali, 2006, letnik. 15, str. 296-299 2. Pat. 5-10695, Japonska (A), Raztopina za nanos kroma, Tokio Daiyamondo Kogu Seisakusho K.K., 27.04.1993 3. Dolmatov, V.Yu. Ultrafini diamanti detonacijske sinteze kot osnova novega razreda kompozitnih kovinsko-diamantnih galvaniziranih prevlek / Sedimentacija V. Yu. - osnovni principi // Spec. Chem., 1991, letn. 11, št. 6, str. 426-430 UDC 661.66 N.Yu. Biryukova1, A.N. Kovalenko1, S.Yu. Tsareva1, L.D. Iskhakova2, E.V. Zharikov1 Ruska kemijsko-tehnološka univerza. DI. Mendelejev, Moskva, Rusija Raziskovalni center za optična vlakna RAS, Moskva, Rusija 1 2 ČIŠČENJE OGLJIKOVIH NANOCEVK, PROIZVEDENIH S KATALITIČNO PIROLIZO BENZENA V tem delu so predstavljeni rezultati eksperimentalnih študij čiščenja in ločevanja večstenskih nanocevk s fizikalnimi in kemijskimi metodami. Učinkovitost vsake stopnje je bila kontrolirana s preučevanjem morfoloških značilnosti produktov pirolize. V prispevku so predstavljeni rezultati eksperimentalnih študij čiščenja in ločevanja večplastnih ogljikovih nanocevk s fizikalnimi in kemijskimi metodami. Učinkovitost vsake stopnje čiščenja je bila nadzorovana s spremembami morfoloških značilnosti produktov pirolize. Metoda katalitične pirolize ogljikovodikov je ena izmed obetavnih metod za sintezo ogljikovih nanocevk. Metoda omogoča pridobivanje enoslojnih, večplastnih nanocevk, usmerjenih nizov ogljikovih nanostruktur z ustrezno organizacijo sinteznih parametrov. Hkrati izdelek, pridobljen s pirolizo spojin, ki vsebujejo ogljik, skupaj z nanocevkami vsebuje veliko količino nečistoč, kot so delci katalizatorja, amorfni ogljik, fulereni itd. Za odstranitev teh nečistoč se uporabljajo fizikalne metode (centrifugiranje, ultrazvok obdelava, filtracija) se običajno uporabljajo v kombinaciji s kemičnimi (oksidacija v plinastih ali tekočih medijih pri povišanih temperaturah). V delu je bila razvita kombinirana metoda za čiščenje in ločevanje večplastnih nanocevk od stranskih produktov ter ugotavljana učinkovitost različnih reagentov. Začetno usedlino smo dobili s katalitično pirolizo benzena z uporabo železovega pentakarbonila kot predkatalizatorja. Nahajališče je bilo obdelano s klorovodikovo, žveplovo in dušikovo kislino. Agregate nanocevk smo razbili z ultrazvokom pri frekvenci 22 kHz. Za ločevanje usedline na frakcije smo uporabili centrifugiranje (3000 vrt/min, čas obdelave do 1 ure). Poleg kislinske obdelave so termično obdelavo nanocevk na USP ECH I uporabljali tudi v kemiji in kemijski tehnologiji. letnik XXI. 2007. št. 8 (76) 56 v zraku. Za dosego najboljšega čiščenja je bilo vzpostavljeno optimalno zaporedje različnih metod. Morfološke značilnosti produktov pirolize in stopnjo očiščenosti smo nadzorovali z vrstično elektronsko mikroskopijo, Ramansko spektroskopijo in rentgensko fazno analizo. UDC 541.1 E.N. Golubina, N.F. Kizim, V.V. Novomoskovski inštitut Moskalenko Ruske kemijsko-tehnološke univerze. DI. Mendelejeva, Novomoskovsk, Rusija VPLIV NANOSTRUKTUR NA ZNAČILNOSTI EKSTRAKCIJE V SISTEMU VODA – ErCl3 – D2EHPA – HEPTAN KINETIKA Kinetična značilnost ekstrahirane Er(III) raztopine D2EHPA v heptanu (koncentrirana površina na kinetični krivulji, visoka hitrost njegovega kopičenja na dinamičnih medfaznih plasteh na začetku procesa, ekstremna dispozicija v odvisnosti pregledane debeline dinamičnih medfaznih plasti od razmerja koncentracije elementa in topila) se kaže pri pomembnem delu nanostruktur v procesu ekstrakcije. Kinetične značilnosti ekstrakcije erbija (III) z raztopinami D2EHPA v heptanu (koncentracijske krivulje na kinetičnih krivuljah, visoka hitrost njegovo kopičenje v DMS na začetku procesa, ekstremna narava odvisnosti opazovane debeline DMS od razmerja koncentracij elementa in ekstragenta) kažejo na pomembno vlogo nanostruktur v procesu ekstrakcije. Znano je, da se v ekstrakcijskih sistemih lahko pojavijo različni nanoobjekti: adsorpcijske plasti, micele, micelarni geli, vezikli, polimerni geli, kristalni geli, mikroemulzije, nanodisperzije, emulzije. Predvsem v sistemu La(OH)3-D2EHPA-dekan-voda nastane organogel, katerega prostorska struktura je zgrajena iz paličastih delcev s premerom ≈0,2 in dolžino 2-3 μm. Natrijeva sol D2EHPA v odsotnosti vode tvori reverzne cilindrične micele s polmerom 53 nm. AT prečni prerez miceli so tri molekule NaD2EHP, usmerjene s polarnimi skupinami proti središču in ogljikovodikovimi verigami proti organskemu topilu. Stanje takšne mreže je odvisno od narave elementa. V primeru Co(D2EHP)2 nastanejo makromolekulske strukture z agregacijskim številom nad 225. V primeru Ni(D2EHP)2 (lahko tudi Ni(D2EHP)2⋅2H2O) nastanejo agregati z agregacijskim številom ≈ 5.2. Pod določenimi pogoji je možna tvorba polimernih molekularnih struktur s hidrodinamičnim polmerom ≈15 nm. Pri ekstrakciji lantana z raztopinami D2EHPA pride do tvorbe masivnega in strukturno togega lantanovega alkilfosfata, kar povzroči zmanjšanje elastičnosti monosloja lantanovega alkilfosfata na fazni meji. Tvorba nanostruktur vpliva tako na ravnotežne lastnosti sistema kot na kinetiko procesa. Ekstrakcija elementov redkih zemelj je zapletena zaradi pojava številnih medfaznih procesov, kot so nastanek in razvoj spontane površinske konvekcije (SSC), nastanek strukturno-mehanske pregrade, fazna disperzija itd. Kot rezultat kemijska reakcija med D2EGFK in elementom nastane težko topna sol, ki povzroči nastanek nanostruktur po mehanizmu “od manjšega k večjemu”. Namen tega dela je bil ugotoviti vpliv nanostruktur na kinetične značilnosti ekstrakcije erbija(III) z raztopinami D2EHPA v heptanu. U S P E X I v kemiji in kemijski tehnologiji. letnik XXI. 2007. št. 8 (76) 57