Karbon nanotüpler ve ultrason kullanarak titanyum ve bileşiklerinden yüzey ve yeraltı suyunu arıtmak için bir yöntem. Karbon Nanotüpler Karbon Nanotüp Temizleme

Rusya Federasyonu Eğitim ve Bilim Bakanlığı

Federal Devlet Yüksek Mesleki Eğitim Kurumu

Rus Kimya-Teknoloji Üniversitesi adını aldı D.I. Mendeleeva

Petrol Kimyası ve Polimer Malzemeler Fakültesi

Bölüm kimyasal teknoloji karbon malzemeler

UYGULAMA RAPORU

KARBON NANOTÜPLER VE NANOVOLF konusunda

Tamamlayan: S. D. Marinin

Kontrol eden: Kimya Bilimleri Doktoru, Bukharkina T.V.

Moskova, 2013

Tanıtım

Nanoteknoloji alanı, dünya çapında 21. yüzyılda teknoloji için kilit bir konu olarak kabul edilmektedir. Yarı iletken üretimi, tıp, sensör teknolojisi, ekoloji, otomotiv endüstrisi gibi ekonominin bu tür alanlarında çok yönlü uygulama olanakları, İnşaat malzemeleri, biyoteknoloji, kimya, havacılık ve uzay bilimleri, makine mühendisliği ve Tekstil endüstrisi, muazzam bir büyüme potansiyeli taşıyor. Nanoteknolojik ürünlerin kullanımı hammadde ve enerji tüketiminden tasarruf sağlayacak, hava emisyonlarını azaltacak ve böylece sürdürülebilir kalkınma ekonomi.

Nanoteknoloji, disiplinler arası yeni bir alanda geliştirilmektedir - nanobilim, bunlardan biri de nanokimyadır. Nanokimya, kimyadaki her şeyin zaten açık olduğu, her şeyin açık olduğu ve geriye sadece edinilen bilgiyi toplumun yararına kullanmak olduğu göründüğü yüzyılın başında ortaya çıktı.

Kimyagerler, büyük bir kimyasal temelin ana "yapı taşları" olarak atomların ve moleküllerin önemini her zaman bildiler ve iyi anladılar. Aynı zamanda, özel numune hazırlama yöntemleriyle birlikte elektron mikroskobu, oldukça seçici kütle spektroskopisi gibi yeni araştırma yöntemlerinin geliştirilmesi, yüzden az sayıda küçük parçacık içeren parçacıklar hakkında bilgi elde etmeyi mümkün kıldı. atomlar.

Yaklaşık 1 nm boyutunda olan bu partiküller (10-9 m sadece bir milimetre bölü bir milyondur), olağandışı, öngörülemeyen kimyasal özelliklere sahiptir.

Çoğu insan için en ünlü ve anlaşılır olanı, fullerenler, grafen, karbon nanotüpler ve nanofiberler gibi aşağıdaki nanoyapılardır. Hepsi birbirine bağlı karbon atomlarından oluşur, ancak şekilleri önemli ölçüde farklıdır. Grafen, SP'de bir düzlem, tek tabaka, karbon atomlarından oluşan bir "battaniyedir" 2 hibridizasyon. Fullerenler, biraz futbol topunu andıran kapalı çokgenlerdir. Nanotüpler silindirik içi boş hacimsel gövdelerdir. Nanolifler koniler, silindirler, kaseler olabilir. Çalışmamda özellikle nanotüpleri ve nanolifleri vurgulamaya çalışacağım.

Nanotüplerin ve nanofiberlerin yapısı

Karbon nanotüpler nelerdir? Karbon nanotüpler, bir tüpe sarılmış grafit düzlemlerden oluşan, birkaç nanometre çapında silindirik bir yapı olan karbon malzemedir. Grafit düzlemi, altıgenlerin köşelerinde karbon atomları bulunan sürekli bir altıgen ızgaradır. Karbon nanotüpler uzunluk, çap, kiralite (katlanmış bir grafit düzleminin simetrisi) ve katman sayısı bakımından farklılık gösterebilir. kiralite<#"280" src="/wimg/13/doc_zip1.jpg" />

Tek duvarlı nanotüpler. Tek duvarlı karbon nanotüpler (SWCNT'ler), grafenin kenarlarını dikişsiz birleştirerek bir silindire yuvarlayarak oluşturduğu bir yapıya sahip karbon nanofiberlerin bir alt türüdür. Grafenin dikişsiz bir silindire katlanması, yalnızca, bir silindire yuvarlandığında çakışan grafen üzerindeki iki eşdeğer noktayı birleştiren iki boyutlu bir vektörün yönünde farklılık gösteren sınırlı sayıda yolla mümkündür. Bu vektöre kiralite vektörü denir. tek duvarlı karbon nanotüp. Bu nedenle, tek duvarlı karbon nanotüpler çap ve kiralite bakımından farklılık gösterir. Deneysel verilere göre tek duvarlı nanotüplerin çapı ~ 0.7 nm ile ~ 3-4 nm arasında değişmektedir. Tek duvarlı bir nanotüpün uzunluğu 4 cm'ye ulaşabilir Üç tür SWCNT vardır: “koltuk” tipi akiral (her altıgenin iki tarafı CNT eksenine dik olarak yönlendirilir), “zikzak” tipi akiral ( her altıgenin iki tarafı CNT eksenine paralel olarak yönlendirilir) ve kiral veya spiral (altıgenin her bir tarafı, 0 ve 90'dan farklı bir açıyla CNT eksenine yerleştirilir) º ). Bu nedenle, “koltuk” tipindeki aşiral CNT'ler, “zikzak” tipi - (n, 0), kiral olanlar - (n, m) endeksleri (n, n) ile karakterize edilir.

MWCNT'deki katman sayısı genellikle 10'dan fazla değildir, ancak bireysel vakalar birkaç düzine ulaşır.

Bazen çok katmanlı nanotüpler arasında iki duvarlı nanotüpler özel bir tip olarak ayırt edilir. "Rus bebekleri" tipinin yapısı, birbirine eş eksenli olarak yerleştirilmiş bir dizi silindirik tüpten oluşur. Bu yapının bir başka varyasyonu, iç içe yerleştirilmiş bir dizi eş eksenli prizmadır. Son olarak, bu yapıların sonuncusu bir parşömeni andırıyor. Şekildeki tüm yapılar için 0.34 nm değerine yakın, bitişik grafen katmanları arasındaki mesafenin karakteristik değeri, bitişik kristal grafit düzlemleri arasındaki mesafenin doğasında vardır.<#"128" src="/wimg/13/doc_zip3.jpg" />

Rus yuvalama bebek Rulo Kartonpiyer

Karbon nanofiberler (CNF'ler), bükülmüş grafen katmanlarının veya nanokonların, iç yapısı grafen katmanları ve fiber ekseni arasındaki α açısı ile karakterize edilebilen tek boyutlu bir filament şeklinde katlandığı bir malzeme sınıfıdır. İki ana lif türü arasında ortak farklılıklardan biri belirtilmiştir: Yoğun şekilde paketlenmiş konik grafen katmanları ve büyük α içeren balıksırtı ve silindirik fincan benzeri grafen katmanları ve daha çok çok katmanlı karbon nanotüplere benzeyen küçük α ile Bambu.<#"228" src="/wimg/13/doc_zip4.jpg" />

a - "para sütunu" nanofiber;

b - nanofiber "balıksırtı yapısı" (koni yığını, "balık kılçığı");

c - nanofiber "bardak yığını" ("abajurlar");

d - "Rus matryoshka" nanotüp;

d - bambu benzeri nanofiber;

e - küresel kesitli nanofiber;

g - çokyüzlü bölümlere sahip nanofiber

Ayrı bir alt türe izolasyon karbon nanotüplerözelliklerinin önemli ölçüde farklı olması nedeniyle daha iyi taraf diğer karbon nanofiber türlerinin özelliklerinden. Bu, nanotüp duvarını tüm uzunluğu boyunca oluşturan grafen tabakasının yüksek çekme mukavemetine, termal ve elektrik iletkenliğine sahip olmasıyla açıklanmaktadır. Buna karşılık, karbon nanoliflerde duvar boyunca hareket ederken bir grafen katmanından diğerine geçişler vardır. Katmanlar arası temasların varlığı ve nanoliflerin yapısının yüksek kusurlu olması, fiziksel özelliklerini önemli ölçüde bozar.

Öykü

Nanotüplerin ve nanoliflerin tarihçesinden ayrı ayrı bahsetmek zordur, çünkü bu ürünler sentez sırasında sıklıkla birbirine eşlik eder. Karbon nanoliflerin üretimine ilişkin ilk verilerden biri, Hughes ve Chambers tarafından bir demir pota içinde CH4 ve H2 karışımının pirolizi ile oluşturulan karbonun boru şeklindeki formlarının üretimi için muhtemelen 1889 tarihli bir patenttir. Bir gazın pirolizi ve ardından karbon birikimi ile karbon filamentlerini büyütmek için bir metan ve hidrojen karışımı kullandılar. Bu liflerin elde edilmesinden kesin olarak bahsetmek çok daha sonraları, yapılarını bir elektron mikroskobu kullanarak incelemek mümkün hale geldiğinde mümkün oldu. Karbon nanoliflerin ilk elektron mikroskobik gözlemi, 1950'lerin başında, Sovyet Fizikokimya Dergisi'nde 50 nanometre çapında içi boş grafit karbon lifleri gösteren bir makale yayınlayan Sovyet bilim adamları Radushkevich ve Lukyanovich tarafından yapıldı. 1970'lerin başında Japon araştırmacılar Koyama ve Endo, 1 μm çapında ve 1 mm'den daha uzun VGCF karbon fiberleri üretmeyi başardılar. Daha sonra, 1980'lerin başında, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Tibbets ve Fransa'daki Benissad, VGCF sürecini iyileştirmeye devam etti. ABD'de, bu malzemelerin sentezi ve özellikleri hakkında daha derinlemesine çalışmalar, pratik uygulama, R. Terry K. Baker tarafından yürütüldü ve özellikle petrol rafinasyonu alanında çeşitli ticari işlemlerde malzeme birikiminin neden olduğu sürekli sorunlardan dolayı karbon nanofiberlerin büyümesini bastırma ihtiyacıyla motive edildi. Gaz fazından yetiştirilen karbon liflerini ticarileştirmeye yönelik ilk girişim, 1991 yılında Japon şirketi Nikosso tarafından Grasker markası altında yapıldı ve aynı yıl Ijima, karbon nanotüplerin keşfini bildiren ünlü makalesini yayınladı.<#"justify">alma

Şu anda, esas olarak hidrokarbonların pirolizine ve grafitin süblimleşmesine ve süblimleştirilmesine dayanan sentezler kullanılmaktadır.

• elektrik ark yöntemi,
• radyasyon ısıtması (güneş yoğunlaştırıcıları veya lazer radyasyonu kullanarak),
• lazer termal,
• elektron veya iyon ışını ile ısıtma,
• plazmada süblimleşme,
• dirençli ısıtma

Bu seçeneklerin çoğunun kendi çeşitleri vardır. Elektrik ark yöntemi için bazı seçeneklerin hiyerarşisi şemada gösterilmiştir:

Şu anda en yaygın yöntem, bir ark deşarjlı plazmada grafit elektrotların termal olarak püskürtülmesidir. Sentez işlemi, yaklaşık 500 mm Hg'lik bir basınç altında helyumla dolu bir bölmede gerçekleştirilir. Sanat. Plazma yanması sırasında, anotta yoğun termal buharlaşma meydana gelirken, katodun uç yüzeyinde karbon nanotüplerin oluştuğu bir tortu oluşur. Maksimum nanotüp sayısı, plazma akımı minimum olduğunda ve yoğunluğu yaklaşık 100 A / cm2 olduğunda oluşur. Deneysel kurulumlarda, elektrotlar arasındaki voltaj yaklaşık 15-25 V'tur, deşarj akımı birkaç on amperdir, grafit elektrotların uçları arasındaki mesafe 1-2 mm'dir. Sentez sırasında, anot kütlesinin yaklaşık %90'ı katot üzerinde biriktirilir. Ortaya çıkan sayısız nanotüp, yaklaşık 40 um'lik bir uzunluğa sahiptir. Sonunun düz yüzeyine dik katot üzerinde büyürler ve yaklaşık 50 um çapında silindirik kirişler halinde toplanırlar.

Nanotüp demetleri, düzenli olarak katot yüzeyini kaplayarak bir petek yapısı oluşturur. Karbon birikintisindeki nanotüplerin içeriği yaklaşık %60'tır. Bileşenleri ayırmak için elde edilen çökelti metanol içine yerleştirilir ve sonikasyona tabi tutulur. Sonuç, su eklendikten sonra bir santrifüjde ayrılmaya tabi tutulan bir süspansiyondur. Büyük parçacıklar santrifüjün duvarlarına yapışırken, nanotüpler süspansiyon içinde yüzer halde kalır. Daha sonra nanotüpler nitrik asit içinde yıkanır ve gaz halinde oksijen ve hidrojen akımında 1: 4 oranında 750°C sıcaklıkta kurutulur. 0C'de 5 dakika. Bu tür bir işlemin bir sonucu olarak, ortalama çapı 20 nm ve uzunluğu 10 um olan çok sayıda nanotüpten oluşan hafif gözenekli bir malzeme elde edilir. Şimdiye kadar elde edilen maksimum nanofiber uzunluğu 1 cm'dir.

hidrokarbon pirolizi

Başlatma reaktiflerinin seçimi ve süreçleri yürütme yöntemleri açısından, bu grup grafitin süblimasyon ve desüblimasyon yöntemlerinden çok daha fazla seçeneğe sahiptir. CNT'lerin oluşumu üzerinde daha net bir kontrol sağlar, büyük ölçekli üretim için daha uygundur ve yalnızca karbon nanomalzemelerin kendilerinin değil, aynı zamanda substratlar üzerindeki belirli yapıların, nanotüplerden oluşan makroskopik liflerin ve ayrıca kompozit malzemelerin de üretilmesine izin verir. özellikle karbon CNT'ler, karbon fiberler ve karbon kağıdı, seramik kompozitler ile modifiye edilmiştir. Yakın zamanda geliştirilen nanosferik litografiyi kullanarak, CNT'lerden fotonik kristaller elde etmek mümkün oldu. Bu şekilde belirli bir çap ve uzunluktaki CNT'ler izole edilebilir.

Ek olarak, pirolitik yöntemin avantajları, örneğin gözenekli alümina membranlar veya moleküler elekler kullanılarak matris sentezi için uygulanması olasılığını içerir. Alüminyum oksit yardımıyla, CNT'lerden dallanmış CNT'ler ve membranlar elde etmek mümkündür. Matris yönteminin ana dezavantajları, birçok matrisin yüksek maliyeti, küçük boyutları ve aktif reaktifler kullanma ihtiyacı ve matris çözünmesi için zorlu koşullardır.

Diğerlerinden daha sık olarak, üç hidrokarbonun piroliz işlemleri: metan, asetilen ve benzen ve ayrıca CNT'lerin ve CNF'lerin sentezi için CO'nun termal ayrışması (orantısızlığı) kullanılır. Metan, karbon monoksit gibi, düşük sıcaklıklarda ayrışmaya meyilli değildir (metanın katalitik olmayan bozunması ~ 900'de başlar Ö C) görece az miktarda amorf karbon safsızlıkları ile SWCNT'leri sentezlemeyi mümkün kılar. Karbon monoksit düşük sıcaklıklarda başka bir nedenden dolayı bozunmaz: kinetik. Çeşitli maddelerin davranışlarındaki fark, Şekil 2'de görülebilir. 94.

Metanın diğer hidrokarbonlara ve karbon monoksite göre avantajları, CNT'lerin veya CNF'lerin oluşumu ile pirolizinin H2 salınımı ile birleştirilmesi gerçeğini içerir. 2ve mevcut üretim tesislerinde kullanılabilir. 2.

katalizörler

Fe, Co ve Ni, CNT'lerin ve CNF'lerin oluşumu için katalizör görevi görür; daha küçük miktarlarda eklenen promotörler esas olarak Mo, W veya Cr'dir (daha az sıklıkla - V, Mn, Pt ve Pd), katalizör taşıyıcıları uçucu olmayan metal oksitler ve hidroksitlerdir (Mg, Ca, Al, La, Si, Ti, Zr), katı çözeltiler, bazı tuzlar ve mineraller (karbonatlar, spinel, perovskitler, hidrotalsit, doğal killer, diatomitler), moleküler elekler (özellikle zeolitler), silika jel, aerojel, alümina jel, gözenekli Si ve amorf C. Ayrıca, V, Cr, Mo, W, Mn ve muhtemelen piroliz koşulları altındaki diğer bazı metaller bileşikler biçimindedir - oksitler, karbürler, metalatlar vb.

Soy metaller (Pd, Ru, PdSe), alaşımlar (mischmetal, permalloy, nichrome, monel, paslanmaz çelik, Co-V, Fe-Cr, Fe-Sn, Fe-Ni-Cr, Fe-Ni-C, Co-Fe-Ni, sert alaşımlı Co-WC, vb.), CoSi 2ve CoGe 2, LaNi 5, MmNi 5(Mm - mischmetal), Zr alaşımları ve diğer hidrit oluşturan metaller. Aksine, Au ve Ag, CNT'lerin oluşumunu engeller.

Katalizörler, ince bir oksit film ile kaplanmış silikon üzerine, germanyum, bazı cam türleri ve diğer malzemelerden yapılmış substratlar üzerine uygulanabilir.

İdeal bir katalizör taşıyıcı, belirli bir bileşimdeki bir çözelti içinde monokristal silikonun elektrokimyasal olarak aşındırılmasıyla elde edilen gözenekli silikon olarak kabul edilir. Gözenekli silikon mikro gözenekler içerebilir (< 2 нм), мезопоры и макропоры (>100 nm). Katalizör elde etmek için geleneksel yöntemler kullanılır:

• tozların karıştırılması (daha az sıklıkla sinterleme);
• sürekli bir ince filmin nano boyutlu adalara dönüştürülmesiyle (birkaç metalin katman katman biriktirilmesi de kullanılır;
• kimyasal buhar birikimi;
• substratı çözeltiye daldırmak;
• bir desteğe katalizör parçacıkları içeren bir süspansiyonun uygulanması;
• çözeltinin dönen bir alt tabakaya uygulanması;
• inert tozların tuzlarla emprenye edilmesi;
• oksitlerin veya hidroksitlerin birlikte çökeltilmesi;
• iyon değişimi;
• kolloidal yöntemler (sol-jel işlemi, ters misel yöntemi);
• tuzların termal ayrışması;
• metal nitratların yanması.

Yukarıda açıklanan iki gruba ek olarak, CNT'lerin üretilmesi için çok sayıda başka yöntem geliştirilmiştir. Kullanılan karbon kaynaklarına göre sınıflandırılabilirler. Başlangıç ​​bileşikleri şunlardır: grafit ve diğer katı karbon formları, organik bileşikler, inorganik bileşikler, organometalik bileşikler. Grafit, çeşitli şekillerde CNT'lere dönüştürülebilir: yoğun bilyeli öğütme ve ardından yüksek sıcaklıkta tavlama; erimiş tuzların elektrolizi ile; ayrı grafen tabakalarına ayrılma ve ardından bu tabakaların kendiliğinden bükülmesi. Amorf karbon, hidrotermal koşullar altında işleme tabi tutularak CNT'lere dönüştürülebilir. CNT'ler, karbon siyahından (kurum), katalizörlü veya katalizörsüz yüksek sıcaklık dönüşümü ve ayrıca basınç altında buharla etkileşim yoluyla elde edildi. Nanotübüler yapılar, vakumlu tavlama ürünlerinde bulunur (1000 Ö C) bir katalizör varlığında elmas benzeri karbon filmleri. Son olarak, fullerit C'nin katalitik yüksek sıcaklık dönüşümü 60veya hidrotermal koşullar altında işlenmesi de CNT'lerin oluşumuna yol açar.

Karbon nanotüpler doğada bulunur. Bir grup Meksikalı araştırmacı, onları 5,6 km derinlikten çıkarılan petrol örneklerinde buldu (Velasco Santos, 2003). CNT çapı birkaç nanometreden onlarca nanometreye kadar değişmekteydi ve uzunluk 2 μm'ye ulaştı. Bazıları çeşitli nanoparçacıklarla dolduruldu.

Karbon nanotüplerin saflaştırılması

CNT'leri üretmek için yaygın yöntemlerin hiçbiri onların saf formlarında izole edilmelerine izin vermez. Fullerenler, amorf karbon, grafitlenmiş parçacıklar, katalizör parçacıkları NT'ye yabancı maddeler olabilir.

1. yıkıcı,
2. yıkıcı olmayan,
3. kombine.

Yıkıcı yöntemler, oksidatif veya indirgeyici olabilen ve farklı karbon formlarının reaktivitesindeki farklılıklara dayanan kimyasal reaksiyonları kullanır. Oksidasyon için, indirgeme - hidrojen için oksitleyici ajanların çözeltileri veya gazlı reaktifler kullanılır. Yöntemler, yüksek saflıkta CNT'lerin izolasyonuna izin verir, ancak tüp kayıpları ile ilişkilidir.

Tahribatsız yöntemler arasında ekstraksiyon, topaklaştırma ve seçici çökeltme, çapraz akışlı mikrofiltrasyon, boyut dışlama kromatografisi, elektroforez, organik polimerlerle seçici etkileşim yer alır. Kural olarak, bu yöntemler verimsiz ve etkisizdir.

Karbon nanotüplerin özellikleri

Mekanik. Nanotüpler, söylendiği gibi, hem çekme hem de bükülme açısından son derece güçlü malzemelerdir. Üstelik, kritik olanları aşan mekanik gerilimlerin etkisi altında, nanotüpler "yırtılmaz", yeniden düzenlenir. Nanotüplerin yüksek mukavemet gibi bir özelliğine dayanarak, şu anda bir uzay asansörü kablosu için en iyi malzeme oldukları iddia edilebilir. Deneylerin sonuçlarının gösterdiği gibi ve Sayısal simülasyon, Young'ın tek duvarlı bir nanotüp modülü, çelikten daha yüksek bir büyüklük sırası olan 1-5 TPa mertebesinde değerlere ulaşır. Aşağıdaki grafik, tek duvarlı bir nanotüp ile yüksek mukavemetli çeliğin karşılaştırmasını göstermektedir.

1 2

Hesaplamalara göre, uzay asansörünün kablosu 62,5 GPa mekanik strese dayanmalıdır.

Gerginlik diyagramı (mekanik stresin bağımlılığı σ uzamadan ε)

En dayanıklı arasındaki önemli farkı göstermek için şu an malzemeler ve karbon nanotüpler için aşağıdaki düşünce deneyini yapalım. Daha önce varsayıldığı gibi, en dayanıklı malzemelerden oluşan kama şeklindeki homojen bir yapının uzay asansörü için bir kablo görevi göreceğini, GEO (geostationary Earth yörüngesi) için kablonun çapının yaklaşık 2 km olacağını hayal edin. ve Dünya yüzeyinde 1 mm'ye kadar daralacaktır. Bu durumda toplam kütle 60*1010 ton olacaktır. Malzeme olarak karbon nanotüpler kullanılsaydı, GEO kablosunun çapı 0,26 mm ve Dünya yüzeyinde 0,15 mm olurdu ve bununla bağlantılı olarak toplam kütle 9,2 ton olurdu. Yukarıdaki gerçeklerden de anlaşılacağı gibi, karbon nanofiber, uzay asansörü arabasını hareket ettirmek için kullanılan elektromanyetik sisteme de dayanabilmesi için gerçek çapı yaklaşık 0.75 m olacak bir kablo inşa etmek için gerekli olan malzemedir.

Elektriksel. Karbon nanotüplerin küçük boyutları nedeniyle, dört temas yöntemi kullanarak elektrik dirençlerini doğrudan ölçmek ancak 1996'da mümkün oldu.

Vakumda parlatılmış silikon oksit yüzeyine altın şeritler uygulandı. Aralarına 2-3 µm uzunluğunda nanotüpler yerleştirildi. Ardından, ölçüm için seçilen nanotüplerden birine 80 nm kalınlığında 4 tungsten iletken uygulandı. Tungsten iletkenlerin her biri altın şeritlerden biriyle temas halindeydi. Nanotüp üzerindeki kontaklar arasındaki mesafe 0,3 ila 1 μm arasında değişmektedir. Doğrudan ölçümlerin sonuçları, nanotüplerin direncinin önemli sınırlar içinde değişebileceğini göstermiştir - 5.1 * 10'dan -60,8 Ohm / cm'ye kadar. Minimum özdirenç, grafitten daha düşük bir büyüklük sırasıdır. Nanotüplerin çoğu metalik iletkenliğe sahipken, daha küçük kısım 0,1 ila 0,3 eV bant aralığına sahip bir yarı iletkenin özelliklerini sergiler.

Fransız ve Rus araştırmacılar (IPTM RAS, Chernogolovka'dan), süper iletkenlik gibi nanotüplerin başka bir özelliğini keşfettiler. Tek duvarlı nanotüplerin akım-voltaj karakteristiklerini ~ 1 nm çapında, çok sayıda tek duvarlı nanotüplerin yanı sıra ayrı çok katmanlı nanotüplerin bir demeti haline getirdiler. İki süper iletken metal kontak arasında 4K'ya yakın sıcaklıklarda süper iletken bir akım gözlemlendi. Bir nanotüpteki yük transferinin özellikleri, geleneksel, üç boyutlu iletkenlerde bulunanlardan önemli ölçüde farklıdır ve görünüşe göre, transferin tek boyutlu doğası ile açıklanmaktadır.

Ayrıca Lozan Üniversitesi'nden (İsviçre) de Gere bulundu. ilginç mülk: tek duvarlı bir nanotüpün 5-10 ° küçük bir bükülmesiyle iletkenlikte keskin (yaklaşık iki büyüklük sırası) bir değişiklik. Bu özellik, nanotüplerin uygulama alanını genişletebilir. Bir yandan, bir nanotüp, mekanik titreşimlerin bir elektrik sinyaline ve bunun tersi için hazır, oldukça hassas bir dönüştürücü olduğu ortaya çıkıyor (aslında, birkaç mikron uzunluğunda ve yaklaşık bir nanometre çapında bir telefon tüpüdür) ve, öte yandan, en küçük deformasyonların neredeyse hazır bir sensörüdür. Böyle bir sensör, örneğin tren ve uçak yolcuları, nükleer ve termik santral personeli vb. gibi insanların güvenliğinin bağlı olduğu mekanik düzeneklerin ve parçaların durumunu izleyen cihazlarda kullanılabilir.

Kılcal damar. Deneyler, açık bir nanotüpün kılcal özelliklere sahip olduğunu göstermiştir. Nanotüpü açmak için üst kısmı - kapağı çıkarmanız gerekir. Çıkarma yöntemlerinden biri, nanotüpleri 850°C sıcaklıkta tavlamaktır. 0C bir karbon dioksit akışı içinde birkaç saat. Oksidasyonun bir sonucu olarak, tüm nanotüplerin yaklaşık %10'u açıktır. Nanotüplerin kapalı uçlarını yok etmenin bir başka yolu da 2400 C sıcaklıkta 4,5 saat konsantre nitrik asitte maruz bırakmaktır. Bu işlem sonucunda nanotüplerin %80'i açılır.

Kılcal fenomenlerin ilk çalışmaları, yüzey gerilimi 200 mN / m'den yüksek değilse sıvının nanotüp kanalına girdiğini gösterdi. Bu nedenle nanotüplere herhangi bir maddeyi sokmak için düşük yüzey gerilimine sahip solventler kullanılır. Bu nedenle, örneğin, nanotüp kanalına bazı metallerin sokulması için, yüzey gerilimi düşük (43 mN / m) olan konsantre nitrik asit kullanılır. Daha sonra 4000 C'de 4 saat hidrojen atmosferinde tavlama yapılır, bu da metalin indirgenmesine yol açar. Böylece nikel, kobalt ve demir içeren nanotüpler elde edilmiştir.

Metallerle birlikte, karbon nanotüpler, örneğin moleküler hidrojen gibi gaz halindeki maddelerle doldurulabilir. Bu yetenek, içten yanmalı motorlarda çevre dostu bir yakıt olarak kullanılabilecek hidrojenin güvenli bir şekilde depolanması olasılığını ortaya çıkardığı için pratik bir öneme sahiptir. Bilim adamları ayrıca, bir nanotüpün içine, içinde zaten gömülü olan gadolinyum atomları ile dolu bir fulleren zinciri yerleştirebildiler. (bkz. Şekil 5).

Pirinç. 5. Tek duvarlı bir nanotüpün içindeki C60'ın içinde

Kapiler etkiler ve nanotüplerin doldurulması

nanotüp karbon piroliz elektrik arkı

Karbon nanotüplerdeki kılcal olay, ilk olarak erimiş kurşunun kılcal çekilmesinin nanotüplere etkisinin gözlemlendiği bir çalışmada deneysel olarak gerçekleştirilmiştir. Bu deneyde, 30 V voltaj ve 180-200 A akımda 0,8 çapında ve 15 cm uzunluğunda elektrotlar arasında nanotüplerin sentezine yönelik bir elektrik arkı ateşlendi. Bir malzeme tabakası 3-4 Anot yüzeyinin ısıl tahribatı sonucu katot yüzeyinde oluşan cm yüksekliğinde hazneden çıkarılmış ve karbondioksit akışı içinde T=850°C'de 5 saat tutulmuştur. Numunenin kütlesinin yaklaşık %10'unu kaybettiği bu işlem, numunenin amorf grafit parçacıklarından arındırılmasını ve tortudaki nanotüplerin keşfedilmesini kolaylaştırdı. Nanotüp içeren tortunun orta kısmı etanol içine yerleştirildi ve sonikasyona tabi tutuldu. Kloroform içinde dağılan oksidasyon ürünü, bir elektron mikroskobu ile gözlem için delikli bir karbon bant üzerinde biriktirildi. Gözlemler, işlenmemiş tüplerin dikişsiz bir yapıya, düzenli şekilli kafalara ve 0,8 ila 10 nm çapa sahip olduğunu göstermiştir. Oksidasyonun bir sonucu olarak, nanotüplerin yaklaşık %10'unun kapaklarının hasarlı olduğu ve tepeye yakın katmanların bir kısmının sıyrıldığı bulundu. Nanotüpler içeren gözlem amaçlı numune, bir metal yüzeyin bir elektron ışını ile ışınlanmasıyla elde edilen erimiş kurşun damlalarıyla vakumla dolduruldu. Bu durumda, nanotüplerin dış yüzeyinde boyutları 1 ila 15 nm arasında değişen kurşun damlacıkları gözlendi. Nanotüpler, 30 dakika boyunca T = 400 ° C'de (kurşunun erime noktasının üzerinde) havada tavlandı. Elektron mikroskobu ile yapılan gözlemler sonucunda nanotüplerin tavlamadan sonra bir kısmının katı bir malzeme ile doldurulduğu ortaya çıktı. Doldurma nanotüplerinin benzer bir etkisi, yüksek güçlü bir elektron ışını ile tavlama sonucunda açılan tüplerin kafalarının ışınlanması üzerine gözlendi. Yeterince güçlü ışınlama ile, tüpün açık ucuna yakın malzeme erir ve içeriye nüfuz eder. Tüplerin içinde kurşun varlığı, X-ışını kırınımı ve elektron spektroskopisi ile belirlendi. En ince kurşun telin çapı 1.5 nm idi. Gözlem sonuçlarına göre doldurulmuş nanotüp sayısı %1'i geçmemiştir.

Karbon nanotüpler, yenilikçi teknolojilerin geleceğidir. Nanotübülenlerin üretimi ve uygulanması, malların ve ürünlerin kalitesini iyileştirecek, ağırlıklarını önemli ölçüde azaltacak ve güçlerini artıracak ve onlara yeni özellikler kazandıracaktır.

Karbon nanotüpler veya boru şeklindeki nanoyapı (nanotubulen), laboratuvar koşullarında yapay olarak oluşturulmuş, karbon atomlarından elde edilen ve olağanüstü mekanik, elektrofiziksel ve fiziksel özelliklere sahip tek veya çok duvarlı içi boş silindirik yapılardır.

Karbon nanotüpler, karbon atomlarından yapılır ve tüpler veya silindirler şeklinde şekillendirilir. Çok küçüktürler (nano ölçekte), çapları bir ila birkaç on nanometre arasında ve birkaç santimetre uzunluğundadır. Karbon nanotüpler grafitten oluşur, ancak grafitin doğasında olmayan başka özelliklere de sahiptir. Doğada bulunmazlar. Kökenleri yapaydır. Nanotüplerin gövdesi, baştan sona bağımsız olarak insanlar tarafından yaratılan sentetiktir.

Milyonlarca kez büyütülmüş bir nanotüp'e bakarsanız, köşelerinde karbon atomları bulunan eşkenar altıgenlerden oluşan uzun bir silindir görebilirsiniz. Bu, bir tüpe yuvarlanmış bir grafit düzlemdir. Bir nanotüpün kiralitesi onun fiziksel özelliklerini ve özelliklerini belirler.

Milyonlarca kez büyütülmüş bir nanotüp, üstlerinde karbon atomları bulunan eşkenar altıgenlerden oluşan uzun bir silindirdir. Bu, bir tüpe yuvarlanmış bir grafit düzlemdir.

Kiralite, bir molekülün ayna görüntüsü ile uzayda birleşmemesi özelliğidir.

Daha açık bir şekilde ifade etmek gerekirse, kiralite, örneğin bir kağıdı eşit olarak katladığınız zamandır. Eğik ise, o zaman bu akiralitedir. Nanotübülenler tek veya çok katmanlı yapılara sahip olabilir. Çok katmanlı bir yapı, tek tek "giydirilen" birkaç tek duvarlı nanotüpten başka bir şey değildir.

keşif geçmişi

Nanotüplerin keşfinin kesin tarihi ve onları keşfeden kişi bilinmemektedir. Bilim adamları tarafından bu yapıların birçok paralel açıklaması olduğundan, bu konu tartışma ve akıl yürütme için besindir. Farklı ülkeler... Kaşifi belirlemedeki asıl zorluk, bilim insanlarının görüş alanına giren nanotüplerin ve nanoliflerin uzun süredir yakın ilgilerini çekmemesi ve tam olarak araştırılmamasıdır. Var olan bilimsel çalışma Geçen yüzyılın ikinci yarısında karbon içeren malzemelerden nanotüpler ve lifler oluşturma olasılığına teorik olarak izin verildiğini kanıtlayın.

Mikron karbon bileşikleri üzerine ciddi çalışmaların uzun süredir yapılmamasının ana nedeni, o zaman bilim adamlarının araştırma için yeterince güçlü bir bilimsel temele sahip olmaması, yani çalışma amacını artırabilecek hiçbir ekipmanın bulunmamasıdır. gerekli ölçüde ve yapılarında parıldayan. ...

Nanokarbon bileşiklerinin çalışmasındaki olayları kronolojik sıraya göre düzenlersek, ilk kanıt, Sovyet bilim adamları Radushkevich ve Lukyanovich'in karbon monoksitin termal ayrışması sırasında oluşan nanolifli yapıya dikkat çektiği 1952'ye düşer (Rus adı oksittir) . Elektron mikroskobik ekipmanla gözlemlenen yapı, yaklaşık 100 nm çapında liflere sahipti. Ne yazık ki, işler olağandışı nanoyapıyı düzeltmekten daha ileri gitmedi ve daha fazla araştırma yapılmadı.

25 yıllık ihmalin ardından 1974'ten bu yana karbondan yapılmış mikron boyutlu boru şeklindeki yapıların varlığına dair bilgiler gazetelere isabet etmeye başlıyor. Yani, 1974-1975 yıllarında araştırma sırasında bir grup Japon bilim adamı (T. Koyama, M. Endo, A. Oberlin). yoğuşma sırasında buharlardan elde edilen, çapı 100 Å'den küçük olan ince tüpleri tanımlayan bir dizi çalışmalarının sonuçları halka sunuldu. Ayrıca, karbon özelliklerinin incelenmesinde elde edilen yapının ve oluşum mekanizmasının bir açıklaması ile içi boş yapıların oluşumu, 1977'de SSCB Bilimler Akademisi Sibirya Şubesi Kataliz Enstitüsü'nden Sovyet bilim adamları tarafından açıklanmıştır.

Å (Agström) 10−10 m'ye eşit mesafeler için bir ölçüm birimidir.SI sisteminde, büyüklük olarak bir angstroma yakın olan bir birim bir nanometredir (1 nm = 10 Å).

Fullerenler, top veya ragbi topu şeklinde içi boş, küresel moleküllerdir.

Fullerenler, İngiliz kimyager ve astrofizikçi Harold Kroto tarafından keşfedilen, daha önce bilinmeyen dördüncü karbon modifikasyonudur.

Japon bilim adamı Sumio Iijima, bilimsel araştırmalarında nanotüplerin karbon yapısının ayrıntılı bir incelemesini ve iletimini sağlayan en son ekipmanı kullandıktan sonra, 1991 yılında ilk ciddi çalışmaları gerçekleştirdi ve bunun sonucunda deneysel olarak mümkün oldu. karbon nanotüpler elde edin ve bunları ayrıntılı olarak inceleyin. ...

Profesör Ijima, araştırmasında bir prototip elde etmek için atomize grafit üzerinde elektrik ark deşarjı ile hareket etti. Prototip dikkatlice ölçüldü. Boyutları, filamentlerin (çerçeve) çapının, bir ila birkaç mikron uzunluğunda birkaç nanometreyi geçmediğini gösterdi. Bir karbon nanotüpün yapısını inceleyen bilim adamları, incelenen nesnenin altıgenlere dayalı bir grafit altıgen ızgaradan oluşan bir ila birkaç katmana sahip olabileceğini buldular. Bu durumda, nanotüplerin uçları yapısal olarak ikiye bölünmüş bir fulleren molekülünün yarısına benzer.

Yukarıdaki çalışmaların yapıldığı sırada, Jones, L.A. gibi alanlarında tanınmış bilim adamlarının çalışmaları zaten vardı. Chernozatonsky, M.Yu. Kornilov, belirli bir allotropik karbon formunun oluşma olasılığını tahmin ederek yapısını, fiziksel, kimyasal ve diğer özelliklerini tanımlar.

Bir nanotüpün çok katmanlı yapısı, bir Rus yuvalama bebeği ilkesine göre tek tek "giydirilen" birkaç tek katmanlı nanotübülenden başka bir şey değildir.

elektrofiziksel özellikler

Karbon nanotüplerin elektrofiziksel özellikleri, dünyadaki bilim toplulukları tarafından en yoğun çalışma aşamasındadır. Nanotüpleri belirli geometrik ilişkilerde tasarlayarak onlara iletken veya yarı iletken özellikler kazandırmak mümkündür. Örneğin, elmas ve grafit karbondur, ancak moleküler yapıdaki farklılık nedeniyle farklı ve bazı durumlarda zıt özelliklere sahiptirler. Bu tür nanotüplere metalik veya yarı iletken denir.

Mutlak sıfır sıcaklıklarda bile elektrik akımını ileten nanotüpler metaliktir. Artan sıcaklıkla artan mutlak sıfırdaki elektrik akımının sıfır iletkenliği, yarı iletken nanoyapının bir işaretidir.

Ana sınıflandırma, grafit düzlemi yuvarlama yöntemine göre dağıtılır. Yuvarlanma yöntemi, grafit kafesin vektörleri boyunca yuvarlanma yönünü belirleyen iki sayı ile belirtilir: "m" ve "n". Nanotüplerin özellikleri, grafit düzleminin yuvarlanma geometrisine bağlıdır, örneğin, bükülme açısı elektrofiziksel özelliklerini doğrudan etkiler.

Parametrelere (n, m) bağlı olarak nanotüpler: düz (achiral), tırtıklı (“koltuk”), zikzak ve spiral (kiral). Elektriksel iletkenliğin hesaplanması ve planlanması için parametre oranı formülü kullanılır: (n-m) / 3.

Hesaplamada elde edilen bir tam sayı, metal tipi bir nanotüpün iletkenliğini ve kesirli bir sayı - yarı iletken olanı gösterir. Örneğin, tüm koltuk tüpleri metaldir. Metal tipi karbon nanotüpler, mutlak sıfırda bir elektrik akımı iletir. Yarı iletken tipi nanotübülenler, artan sıcaklıkla artan mutlak sıfırda sıfır iletkenliğe sahiptir.

Metalik tipte iletkenliğe sahip nanotüpler, santimetre kare başına kabaca bir milyar amper iletebilir. En iyi metalik iletkenlerden biri olan bakır, bu göstergelerde nanotüplerden bin kat daha düşüktür. İletkenlik sınırı aşıldığında, malzemenin erimesi ve moleküler kafesin tahrip olmasıyla birlikte ısınma meydana gelir. Bu, eşit koşullar altında nanotübülenlerde olmaz. Bunun nedeni, elmasın iki katı olan çok yüksek ısı iletkenlikleridir.

Mukavemet açısından, nanotübülen diğer malzemeleri de çok geride bırakır. En güçlü çelik alaşımlarından (1.28-1.8 TPa modulo Young) 5-10 kat daha güçlüdür ve kauçuktan 100 bin kat daha yüksek elastikiyete sahiptir. Çekme mukavemeti göstergelerini karşılaştırırsak, yüksek kaliteli çeliğin benzer mukavemet özelliklerini 20-22 kat aşıyorlar!

BM'yi nasıl edinirsiniz?

Nanotüpler, yüksek sıcaklık ve düşük sıcaklık yöntemleriyle üretilir.

Yüksek sıcaklık yöntemleri arasında lazer ablasyonu, güneş teknolojisi veya elektrik ark deşarjı bulunur. Düşük sıcaklık prosesi, hidrokarbonların katalitik ayrışması kullanılarak kimyasal buhar biriktirme, karbon monoksitten gaz fazında katalitik büyüme, elektroliz ile üretim, polimer ısıl işlem, lokal düşük sıcaklık piroliz veya lokal katalizi içerir. Tüm yöntemler anlaşılması zor, yüksek teknolojili ve çok pahalıdır. Nanotüplerin üretimi ancak güçlü bir bilimsel temele sahip büyük bir işletme tarafından karşılanabilir.

Basitleştirilmiş, ark yöntemiyle karbondan nanotüp üretme süreci aşağıdaki gibidir:

Gaz halindeki bir plazma, bir enjeksiyon aparatı aracılığıyla kapalı bir döngü ile belirli bir sıcaklığa kadar ısıtılan bir reaktöre enjekte edilir. Reaktörde, üst ve alt kısımlarda, biri anot, diğeri katot olan manyetik bobinler kurulur. Manyetik bobinlere sabit bir elektrik akımı verilir. Reaktördeki plazma, bir manyetik alan tarafından döndürülen bir elektrik arkından etkilenir. Karbon içeren bir malzemeden (grafit) oluşan anot yüzeyinden yüksek sıcaklıktaki bir elektroplazma arkının etkisi altında, karbon buharlaşır veya "dışarı sızar" ve içinde bulunan karbon nanotüpler şeklinde katot üzerinde yoğunlaşır. çökelti. Karbon atomlarının katotta yoğunlaşması için reaktördeki sıcaklık düşürülür. Bu teknolojinin kısa bir açıklaması bile, nanotübülenlerin elde edilmesinin karmaşıklığını ve maliyetini değerlendirmeyi mümkün kılar. Üretim ve uygulama sürecinin çoğu işletme tarafından kullanılabilir hale gelmesi uzun zaman alacaktır.

Fotoğraf galerisi: Karbondan nanotüp elde etmek için şema ve ekipman

Elektrik ark yöntemiyle tek duvarlı karbon nanotüplerin sentezi için kurulum Tüp şeklindeki nanoyapı elde etmek için düşük gücün bilimsel kurulumu
Düşük sıcaklık elde etme yöntemi

Uzun karbon nanotüplerin üretimi için kurulum

Onlar zehirli mi?

Kesinlikle evet.

Devam etmekte laboratuvar araştırması bilim adamları, karbon nanotüplerin canlı organizmalar üzerinde olumsuz bir etkisi olduğu sonucuna varmışlardır. Bu da nanotüplerin toksisitesini doğruluyor ve giderek daha az bilim insanı bu önemli konudan şüphe etmek zorunda kalıyor.

Çalışmalar, karbon nanotüplerin canlı hücrelerle doğrudan etkileşiminin ölümlerine yol açtığını göstermiştir. Özellikle tek duvarlı nanotüpler güçlü antimikrobiyal aktiviteye sahiptir. Bilim adamları, bakteri krallığının (Escherichia coli) E-Coli'nin yaygın bir kültürü üzerinde deneyler yapmaya başladılar. Araştırma sürecinde 0,75 ila 1,2 nanometre çapında tek duvarlı nanotüpler kullanıldı. Deneylerin gösterdiği gibi, karbon nanotüplerin canlı bir hücreye çarpması sonucunda hücre duvarları (zarları) mekanik olarak zarar görmektedir.

Diğer yöntemlerle üretilen nanotüpler, büyük miktarda metal ve diğer toksik safsızlıkları içerir. Birçok bilim adamı, karbon nanotüplerin toksisitesinin morfolojilerine bağlı olmadığını, doğrudan içlerinde bulunan safsızlıklarla (nanotüpler) ilişkili olduğunu varsaymaktadır. Bununla birlikte, Yale'den bilim adamlarının nanotüpler üzerine araştırma alanında yürüttükleri çalışma, birçok topluluğun bir yanılgısını ortaya koydu. Böylece araştırma sürecindeki Escherichia coli (E-Coli) bakterisi tek cidarlı karbon nanotüplerle bir saat süreyle tedavi edildi. Sonuç olarak, E-Coli'nin çoğu öldü. Nanomalzemeler alanındaki araştırma verileri, bunların toksisitesini ve canlı organizmalar üzerindeki olumsuz etkilerini doğrulamıştır.

Bilim adamları, tek duvarlı nanotüplerin en tehlikeli olduğu sonucuna vardılar, bunun nedeni bir karbon nanotüp uzunluğunun çapına orantılı oranıdır.

Karbon nanotüplerin insan vücudu üzerindeki etkisiyle ilgili çeşitli araştırmalar, bilim insanlarını, asbest liflerinin vücuda alınması durumunda olduğu gibi, etkinin aynı olduğu sonucuna varmasına yol açmıştır. Asbest liflerinin olumsuz etki derecesi doğrudan boyutlarına bağlıdır: ne kadar küçükse, olumsuz etki o kadar güçlü olur. Ve karbon nanotüpler söz konusu olduğunda, bunların vücut üzerindeki olumsuz etkileri konusunda hiç şüphe yoktur. Hava ile birlikte vücuda giren nanotüp plevra yoluyla göğse yerleşerek başta kanserli tümörler olmak üzere ciddi komplikasyonlara neden olur. Nanotübülenlerin vücuda nüfuz etmesi gıda yoluyla gerçekleşirse, mide ve bağırsak duvarlarında birikerek çeşitli hastalıklara ve komplikasyonlara neden olur.

Şu anda bilim adamları nanomalzemelerin biyolojik uyumluluğu ve karbon nanotüplerin güvenli üretimi için yeni teknolojiler üzerine araştırmalar yürütüyorlar.

Perspektifler

Karbon nanotüpler geniş bir uygulama alanına sahiptir. Bunun nedeni, bir çerçeve şeklinde moleküler bir yapıya sahip olmaları ve böylece elmas veya grafitten farklı özelliklere sahip olmalarına izin vermeleridir. Karbon nanotüplerin diğer malzemelere kıyasla daha sık kullanılması, ayırt edici özelliklerinden (kuvvet, iletkenlik, bükülme) kaynaklanmaktadır.

Bu karbon buluşu elektronik, optik, makine mühendisliği vb. alanlarda kullanılmaktadır. Karbon nanotüpler, moleküler bileşiklerin gücünü artırmak için çeşitli polimerlere ve kompozitlere katkı maddesi olarak kullanılır. Sonuçta, herkes bilir ki, karbon bileşiklerinin moleküler kafesi, özellikle saf haliyle, inanılmaz bir güce sahiptir.

Karbon nanotüpler ayrıca pillerin üretimi için gerekli olan kapasitörlerin ve çeşitli sensörlerin, anotların üretiminde elektromanyetik dalgaların emicisi olarak kullanılmaktadır. Bu karbon bileşiği telekomünikasyon ağlarının ve sıvı kristal ekranların üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca nanotüpler, aydınlatma cihazlarının imalatında katalitik güçlendirici olarak kullanılmaktadır.

ticari uygulama

Market	Uygulama	Karbon nanotüplere dayalı bileşimlerin özellikleri
Arabalar	Yakıt sistemi parçaları ve yakıt hatları (konektörler, pompa parçaları, O-ringler, borular), harici vücut kısımları elektrikli boyama için (tamponlar, ayna muhafazaları, yakıt deposu kapakları)	Karbon siyahına kıyasla gelişmiş özellikler dengesi, büyük parçalar için geri dönüştürülebilirlik, deformasyona karşı direnç
Elektronik	Teknolojik alet ve ekipmanlar, yarı iletken levhalar için kasetler, konveyör bantlar, bağlantı blokları, temiz oda ekipmanları	Karbon fiberlere kıyasla geliştirilmiş karışım saflığı, yüzey özdirenç kontrolü, ince parçaların dökümü için işlenebilirlik, deformasyon direnci, özelliklerin dengesi, karbon fiberlere kıyasla plastik karışımların alternatif olanakları

Karbon nanotüpler, kullanım için belirli bir çerçeve ile sınırlı değildir. çeşitli endüstriler sanayi. Malzeme nispeten yakın zamanda icat edildi ve bu nedenle dünyanın birçok ülkesinde bilimsel gelişmelerde ve araştırmalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu, şu anda piyasada oldukça zayıf bir konuma sahip olduğundan, karbon nanotüplerin özelliklerinin ve özelliklerinin daha ayrıntılı bir çalışması ve ayrıca malzemenin büyük ölçekli üretiminin kurulması için gereklidir.

Mikroişlemcileri soğutmak için karbon nanotüpler kullanılıyor

İyi iletken özelliklerinden dolayı, karbon nanotüplerin makine mühendisliğinde kullanımı geniş bir yelpazeye sahiptir. Bu malzeme, büyük boyutlu soğutma üniteleri için bir cihaz olarak kullanılır. Bu öncelikle karbon nanotüplerin yüksek bir spesifik termal iletkenliğe sahip olmasından kaynaklanmaktadır.

Nanotüplerin bilgisayar teknolojisinin geliştirilmesinde kullanılması elektronik endüstrisinde önemli bir rol oynamaktadır. Bu malzemenin kullanımı sayesinde oldukça düz ekranların üretimi için üretim kurulmuştur. Bu, kompakt boyutlarda bilgisayar ekipmanının piyasaya sürülmesine katkıda bulunur, ancak aynı zamanda elektronik bilgisayarların teknik özellikleri kaybolmaz, hatta artar. Bilgisayar teknolojilerinin ve elektronik endüstrisinin gelişmesinde karbon nanotüplerin kullanılması, malzeme açısından birkaç kat daha üstün olacak ekipmanların üretilmesine olanak sağlayacaktır. teknik özellikler Mevcut analoglar. Bu çalışmalara dayanarak, yüksek voltajlı kineskoplar zaten oluşturuluyor.

İlk karbon nanotüp işlemci

Kullanım sorunları

Nanotüp kullanmanın sorunlarından biri, canlı organizmalar üzerindeki olumsuz etkisidir ve bu da bu malzemenin tıpta kullanımı konusunda şüphe uyandırmaktadır. Bazı uzmanlar, karbon nanotüplerin seri üretim sürecinde anlatılmamış risklerin ortaya çıkabileceğini düşünüyor. Yani nanotüplerin uygulama alanlarının genişlemesi sonucunda büyük çapta üretimlerine ihtiyaç duyulacak ve buna bağlı olarak çevre için bir tehdit oluşacaktır.

Bilim adamları, karbon nanotüplerin üretimi için daha çevre dostu yöntem ve yöntemlerin uygulanmasında bu sorunu çözmenin yollarını aramayı öneriyorlar. Ayrıca, bu malzemenin üreticilerinin, CVD işlem teknolojisinin sonuçlarını "temizleme" konusuna ciddi bir yaklaşım getirmeleri ve bunun da üretilen ürünlerin maliyetindeki artışı etkileyebileceği öne sürüldü.

Nanotüplerin hücreler üzerindeki olumsuz etkisinin fotoğrafı a) Nanotüplerin etkisinden önceki E. coli hücreleri; b) nanotüplere maruz kaldıktan sonra hücreler

Modern dünyada, karbon nanotüpler yenilikçi teknolojilerin geliştirilmesine önemli katkılarda bulunuyor. Uzmanlar, önümüzdeki yıllarda nanotüp üretiminde bir artış ve bu ürünlerin fiyatlarında düşüş öngörüyor. Bu da nanotüplerin uygulama kapsamını genişletecek ve pazardaki tüketici talebini artıracaktır.

RU 2430879 patentinin sahipleri:

Buluş nanoteknoloji ile ilgilidir ve kompozit malzemelerin bir bileşeni olarak kullanılabilir. Çok katmanlı karbon nanotüpler, aşağıdakileri içeren katalizörler kullanılarak hidrokarbonların pirolizi ile üretilir. aktif içerik Taşıyıcı olarak Fe, Co, Ni, Mo, Mn ve bunların kombinasyonları ile Al 2 O 3, MgO, CaCO 3. Elde edilen nanotüpler, bir hidroklorik asit solüsyonunda kaynatılarak ve ardından su ile yıkanarak saflaştırılır. Asitle muameleden sonra, bir sıcaklık gradyanına sahip bir fırında yüksek saflıkta bir argon akımında ısıtma gerçekleştirilir. Fırının çalışma alanında sıcaklık 2200-2800 °C'dir. Fırın kenarlarında sıcaklık 900-1000 °C'dir. Buluş, metal safsızlık içeriği 1 ppm'den az olan çok katmanlı nanotüplerin elde edilmesini mümkün kılar. 3 C.p. f-kristaller, 9 dwg., 3 tbl.

Buluş, çeşitli amaçlar için kompozit malzemelerin bileşenleri olarak kullanılabilen, 1 ppm'den daha az metal safsızlık içeriğine sahip yüksek saflıkta çok katmanlı karbon nanotüplerin (MCNT'ler) elde edilmesi alanıyla ilgilidir.

MCNT'lerin seri üretimi için, demir alt grubunun metallerine dayalı metal katalizörlerin varlığında hidrokarbonların veya karbon monoksitin pirolizine dayanan yöntemler kullanılır [TW Ebbesen // Karbon nanotüpler: Hazırlama ve özellikler, CRC Press, 1997, p .139-161; V. Shanov, Yeo-Heung Yun, MJ Schuiz // Karbon nanotüp malzemelerinin sentezi ve karakterizasyonu (inceleme) // Kimya Teknolojisi ve Metalurji Üniversitesi Dergisi, 2006, No. 4, v. 41, s.377-390 ; J.W.Seo; A. Magrez; M. Milas; K. Lee, V Lukovac, L. Forro // Katalitik olarak büyütülmüş karbon nanotüpler: sentezden toksisiteye // Journal of Physics D (Applied Physics), 2007, v. 40, n. 6]. Bu nedenle, onların yardımıyla elde edilen MWCNT'ler, kullanılan katalizörlerin metal safsızlıklarını içerir. Aynı zamanda, örneğin elektrokimyasal cihazlar oluşturmak ve çeşitli amaçlar için kompozit malzemeler elde etmek gibi bir dizi uygulama için, metal safsızlıkları içermeyen yüksek saflıkta MWCNT'ler gereklidir. Yüksek saflıkta MWCNT'ler, öncelikle yüksek sıcaklıkta işleme tabi tutulan kompozit malzemeler elde etmek için gereklidir. Bunun nedeni, inorganik inklüzyonların yerel grafitizasyon için katalizörler olabilmesi ve sonuç olarak karbon yapısında yeni kusurların oluşumunu başlatmasıdır [AS Fialkov // Karbon, ara katman bileşikleri ve buna dayalı kompozitler, Aspect Press, Moskova , 1997, s.588 -602]. Metal parçacıkların katalitik etkisinin mekanizması, metal atomlarının bir karbon matrisi ile metal-karbon parçacıklarının oluşumu ile etkileşimine ve ardından kompozitin yapısını tahrip edebilecek yeni grafit benzeri oluşumların salınmasına dayanır. Bu nedenle, küçük metal karışımları bile kompozit malzemenin homojenliğinin ve morfolojisinin ihlaline yol açabilir.

Katalitik karbon nanotüplerden safsızlıkları gidermek için en yaygın yöntemler, ısıtma sırasında ve ayrıca mikrodalga radyasyonuna maruz kalma ile kombinasyon halinde farklı konsantrasyonlara sahip bir asit karışımı ile muameleye dayanır. Bununla birlikte, bu yöntemlerin ana dezavantajı, güçlü asitlere maruz kalmanın bir sonucu olarak karbon nanotüplerin duvarlarının tahrip olması ve ayrıca yüzeylerinde seçimi zorlaştıran çok sayıda istenmeyen oksijen içeren fonksiyonel grupların ortaya çıkmasıdır. asit tedavisi için koşullar. Bu durumda, katalizörün metal parçacıkları karbon nanotüpün iç boşluğunda kapsüllendiğinden ve reaktifler tarafından erişilemediğinden, elde edilen MWCNT'lerin saflığı ağırlıkça %96-98'dir.

MCNT'lerin saflığında bir artış, karbon nanotüplerin yapısını ve morfolojisini korurken 1500 ° C'nin üzerindeki sıcaklıklarda ısıtılarak elde edilebilir. Bu yöntemler sadece MWCNT'leri metal safsızlıklarından arındırmayı değil, aynı zamanda küçük kusurların tavlanması, Young modülünün artması, grafit katmanları arasındaki mesafenin azalması ve karbon nanotüplerin yapısının düzenlenmesine katkıda bulunur. ayrıca, daha iyi kalite elde etmek için gerekli olan polimer matrisinde karbon nanotüplerin daha homojen bir dağılımını sağlayan yüzey oksijeninin çıkarılması. kompozit malzemeler... Yaklaşık 3000 ° C sıcaklıkta kalsinasyon, karbon nanotüplerin yapısında ek kusurların oluşmasına ve halihazırda mevcut kusurların gelişmesine yol açar. Açıklanan yöntemler kullanılarak elde edilen karbon nanotüplerin saflığının %99,9'dan fazla olmadığına dikkat edilmelidir.

Buluş, hidrokarbonların katalitik pirolizi ile elde edilen çok katmanlı karbon nanotüplerin saflaştırılması için, katalizör safsızlıklarının (1 ppm'ye kadar) ve ayrıca MCNT'lerin asitle işlenmesi sırasında ortaya çıkabilecek diğer bileşiklerin safsızlıklarının neredeyse tamamen ortadan kaldırılmasıyla bir yöntem geliştirme problemini çözmektedir. , karbon nanotüplerin morfolojisini korurken.

Sorun, aktif bileşenler olarak Fe, Co, Ni, Mo, Mn ve bunların kombinasyonlarını içeren katalizörler kullanılarak hidrokarbonların pirolizi ile elde edilen çok katmanlı karbon nanotüplerin saflaştırılması yöntemi ile çözülür. bir hidroklorik asit çözeltisinde kaynatılarak su ile daha fazla yıkanarak gerçekleştirilen taşıyıcılar, asit muamelesinden sonra, sıcaklık gradyanlı bir fırında yüksek saflıkta bir argon akışında ısıtma gerçekleştirilir, çalışma alanında sıcaklık 2200-2800 ° C, fırının kenarlarında sıcaklık 900-1000 ° C'dir, bunun sonucunda 1 ppm'den daha az metal safsızlık içeriğine sahip çok katmanlı nanotüpler elde edilir.

Isıtma, yüksek saflıkta grafitten yapılmış ampullerde gerçekleştirilir.

Bir argon akışındaki ısınma süresi, örneğin, 15-60 dakikadır.

Argon %99,999 saflıkta kullanılmıştır.

Yöntemin önemli bir farkı, sıcak bölgede metal safsızlıkların buharlaştığı ve metal parçacıkların soğuk bölgede küçük toplar şeklinde yoğunlaştığı MCNT'leri temizlemek için bir sıcaklık gradyanına sahip bir fırının kullanılmasıdır. Metal buharlarının transferini gerçekleştirmek için, yaklaşık 20 l / s'lik bir gaz akış hızıyla yüksek saflıkta bir argon akışı (% 99.999 saflıkta) kullanılır. Fırın, atmosferik gazlara maruz kalmayı önlemek için özel contalarla donatılmıştır.

MWCNT'lerin yüzeyinden su ve hava oksijeninin ve örneğin bir grafit fırına yerleştirildiği bir grafit ampulün ön desorpsiyonu ve ayrıca yüksek saflıkta argon ile temizlenmesi, gaz taşıma reaksiyonlarının etkisinin önlenmesini mümkün kılar. saflaştırılmakta olan MWCNT'lerde hidrojen ve oksijen içeren gazları içeren, yüksek oranda dağılmış formları ile düşük yüzey enerjisine sahip iyi kristalize grafit benzeri formlar arasında karbonun yeniden dağılımına yol açar (VLKuznetsov, Yu.V. Butenko, VIZaikovskii ve ALChuvilin // Nanokarbonlarda karbon yeniden dağıtım süreçleri // Carbon 42 (2004) s. 1057-1061; AS Fialkov // Karbon-grafit toz malzemelerinin üretimi için süreçler ve cihazlar, Aspect Press, Moskova, 2008, s. 510-514).

Katalitik karbon çok katmanlı nanotüpler, aktif bileşenler olarak Fe, Co, Ni, Mo ve bunların kombinasyonlarını içeren katalizörler ve ayrıca taşıyıcılar olarak Al 2 O 3, MgO, CaCO 3 kullanılarak hidrokarbonların pirolizi ile elde edilir (T.W. Ebbesen // Karbon nanotüpler: Hazırlık ve özellikleri, CRC Press, 1997, s. 139-161; V. Shanov, Yeo-Heung Yun, MJSchuiz // Karbon nanotüp malzemelerinin sentezi ve karakterizasyonu (inceleme) // Kimya Teknolojisi ve Metalurji Üniversitesi Dergisi, 2006, 4, v.41, s.377-390; JWSeo; A. Magrez; M. Milas; K. Lee, V Lukovac, L. Forro // Katalitik olarak yetiştirilen karbon nanotüpler: sentezden toksisiteye / / Journal of Physics D (Uygulamalı Fizik), 2007, cilt 40, n. 6).

Önerilen yöntemde, en tipik metallerin safsızlıklarını giderme olasılığını göstermek için Fe-Co / Al 2 O 3 ve Fe ve Co içeren Fe-Co / CaCO 3 katalizörleri üzerinde sentezlenen iki tip MCNT için saflaştırma yapılır. 2: 1 oranı. Bu katalizörlerin kullanımının en önemli özelliklerinden biri sentezlenen numunelerde MWCNT'ler dışında başka karbon fazlarının bulunmamasıdır. Fe-Co/Al2O3 katalizörü varlığında ortalama 7-10 nm dış çapa sahip MCNT'ler, Fe-Co/CaCO3 katalizörü varlığında ise büyük ortalama dış çapa sahip MCNT'ler elde edilir. - 22-25 nm.

Elde edilen numuneler, X-ışını tüpü Rh anotlu (ölçüm doğruluğu ± %10) bir ARL-Advant "x analizöründe transmisyon elektron mikroskobu, X-ışını spektral floresansı ile incelenir ve numunelerin spesifik yüzey alanı belirlenir. BET yöntemiyle ölçülür.

TEM verilerine göre, ilk numuneler oldukça kusurlu MWCNT'lerden oluşmaktadır (Şekil 1, 6). Büküm alanındaki tüp parçaları düzgün, yuvarlak hatlara sahiptir; tüplerin yüzeyinde çok sayıda fulleren benzeri oluşumlar gözlenir. Grafen benzeri nanotüp katmanları, çok sayıda kusurun (kırılmalar, Y benzeri bileşikler, vb.) Tüplerin bazı bölümlerinde, MWCNT'nin farklı taraflarındaki katman sayısında bir tutarsızlık var. İkincisi, esas olarak tüplerin içinde lokalize olan açık uzatılmış grafen katmanlarının varlığını gösterir. 2200 ° C sıcaklıklarda yüksek saflıkta bir argon akışında ısıtılmış MWCNT'lerin elektron mikroskobik görüntüleri - Şekil 2, 7; 2600 ° C - Şekil 3, 8; 2800 ° C - Şekil 4, 5, 9. Kalsinasyondan sonra numunelerde, hem iç hem de yüzeye yakın kusurların daha az sayıda olduğu daha düzgün MWCNT'ler gözlenir. Tüpler, belirgin bükülmelere sahip yüzlerce nanometre mertebesinde doğrusal parçalardan oluşur. Kalsinasyon sıcaklığındaki artışla düz bölümlerin boyutları artar. Farklı kenarlardan tüp duvarlarındaki grafen katmanlarının sayısı aynı olur ve bu da MWCNT yapısını daha düzenli hale getirir. Tüplerin iç yüzeyi de önemli değişikliklere uğrar - metal parçacıklar çıkarılır, iç bölmeler daha düzenli hale gelir. Ayrıca tüplerin uçları kapalıdır - tüpleri oluşturan grafen tabakaları kapalıdır.

Numunelerin 2800 °C'de kalsine edilmesi, grafit buhar basıncının artması nedeniyle kısa mesafelerde karbon transferi ile ilişkili olabilecek, birbiri içine yerleştirilmiş grafen katmanlarından oluşan az miktarda genişlemiş silindirik karbon oluşumlarının oluşumuna yol açar. .

X-ışını spektral floresan yöntemiyle ilk ve ısıtılmış MWCNT örneklerinin çalışmaları, çok katmanlı karbon nanotüp örneklerinin 2200-2800 ° C aralığındaki sıcaklıklarda ısıtılmasından sonra, safsızlık miktarının azaldığını gösterdi, bu da doğrulandı. transmisyon elektron mikroskobu yöntemi ile. MWCNT numunelerinin 2800 °C'de ısıtılması numunelerden safsızlıkların neredeyse tamamen giderilmesini sağlar. Bu, yalnızca katalizör metal safsızlıklarını değil, aynı zamanda asit işleme ve yıkama aşamalarında MWCNT'ye giren diğer elementlerin safsızlıklarını da ortadan kaldırır. İlk numunelerde, demirin kobalta oranı yaklaşık olarak 2: 1'e eşittir, bu da katalizörlerin ilk bileşimine karşılık gelir. Fe-Co / Al 2 O 3 katalizörünün numunelerinde elde edilen orijinal tüplerdeki alüminyum içeriği düşüktür, bu, nanotüplerin katalizör yıkandığında bir asitle işlenmesi sırasında çıkarılmasıyla ilişkilidir. X-ışını spektral floresan yöntemiyle safsızlıkların içeriğinin incelenmesinin sonuçları Tablo 1 ve 2'de gösterilmektedir.

Spesifik yüzey alanının BET yöntemi ile ölçülmesi, sıcaklıktaki bir artışla, MWCNT numunelerinin spesifik yüzey alanının, karbon nanotüplerin yapısını ve morfolojisini korurken önemsiz bir şekilde değiştiğini göstermiştir. TEM verilerine göre, spesifik yüzey alanındaki bir azalma, hem MCNT'lerin uçlarının kapanması hem de yüzey kusurlarının sayısında bir azalma ile ilişkilendirilebilir. Sıcaklıktaki bir artışla, artan sayıda katmana sahip önemsiz bir oranda büyütülmüş silindirik oluşumlar ve yaklaşık olarak 2-3'e eşit bir uzunluk / genişlik oranı mümkündür, bu da spesifik yüzey alanında bir azalmaya katkıda bulunur. Spesifik yüzey alanı çalışmasının sonuçları Tablo 3'te gösterilmektedir.

Buluşun özü aşağıdaki örnekler, tablolar (tablo 1-3) ve resimler (Şekil 1-9) ile gösterilmektedir.

650-750 ° C sıcaklıkta bir akış kuvars reaktöründe bir Fe-Co / Al 2 O 3 katalizörü varlığında etilenin pirolizi ile elde edilen bir MWCNT (10 g) numunesi bir grafite yerleştirilir. ampul 200 mm yüksekliğinde ve 45 mm dış çapındadır ve bir kapakla (çapı 10 mm) ve delikli (1-2 mm çapında) kapatılmıştır. Bir kuvars ampule bir grafit ampul yerleştirilir ve bir vakum pompası kullanılarak en az 10 -3 Torr'luk bir basınca kadar hava pompalanır, ardından önce oda sıcaklığında ve daha sonra yüksek saflıkta argon (%99.999 saflıkta) ile temizlenir. Oksijen içeren yüzey gruplarını ve su izlerini gidermek için 200-230 °C sıcaklık. Numune, çalışma bölgesindeki sıcaklığın 2200 °C'de kaldığı bir sıcaklık gradyanına sahip bir fırında yüksek saflıkta argon (~ 20 l/h) akışında 1 saat boyunca 2200 °C sıcaklıkta ısıtılır, ve fırının kenarlarında sıcaklık 900-1000 ° C'dir. Isıtma sırasında MWCNT'lerden buharlaşan metal atomları, fırının sıcak kısmından, metalin küçük toplar şeklinde biriktirildiği bir argon akışı ile soğuk kısma uzaklaştırılır.

Kalsinasyondan sonra elde edilen materyal, transmisyon elektron mikroskobu ve X-ışını spektral floresan ile incelenir. Şekil 1, orijinal MWCNT'lerin elektron mikroskobik görüntülerini gösterir, şekil 2 - 2200 ° C MWCNT'lerde ısıtılır. BET yöntemi, kalsinasyon öncesi ve sonrası MWCNT numunelerinin spesifik yüzey alanını belirlemek için kullanılır. Elde edilen veriler, orijinal MWCNT numunesinin spesifik yüzey alanı ile karşılaştırıldığında kalsinasyondan sonra numunelerin spesifik yüzey alanında önemsiz bir düşüşe işaret etmektedir.

Örnek 1'e benzer şekilde, orijinal MWCNT'lerin bir numunesinin, sıcaklık gradyanına sahip bir fırında yüksek saflıkta bir argon (~ 20 l / s) akışında 1 saat boyunca 2600 ° C'de ısıtılmasıyla karakterize edilir. çalışma bölgesi 2600 °C'de kalır, fırın kenarlarında sıcaklık 900-1000 °C'dir. Transmisyon elektron mikroskobu ile elde edilen ısıtılmış MWCNT'lerin görüntüleri Şekil 3'te gösterilmektedir. Yüksek çözünürlüklü TEM görüntüleri, nanotüplerin kapalı uçlarını göstermektedir.

Örnek 1'e benzer şekilde, orijinal MWCNT'lerin bir numunesinin, sıcaklık gradyanına sahip bir fırında yüksek saflıkta bir argon (~ 20 l / s) akışında 2800 ° C'de 15 dakika ısıtılmasıyla karakterize edilir. çalışma bölgesi 2800 °C'de kalır, fırın kenarlarında sıcaklık 900-1000 °C'dir. Transmisyon elektron mikroskobu ile elde edilen ısıtılmış MWCNT'lerin görüntüleri Şekil 4'te gösterilmektedir.

2800 ° C'de kalsinasyon, artan katman sayısı ve yaklaşık 2-3'lük bir uzunluk-genişlik oranı ile az sayıda büyütülmüş silindirik oluşumların oluşumuna yol açar. Bu büyütmeler TEM görüntülerinde görülmektedir (Şekil 5).

Örnek l'e benzer şekilde, başlangıç ​​MWCNT'lerinin bir Fe — Co / CaC03 katalizörü varlığında elde edilmesiyle karakterize edilir. Transmisyon elektron mikroskobu ile elde edilen 2200 ° C'de ısıtılan ilk MWCNT'lerin ve MWCNT'lerin görüntüleri sırasıyla Şekil 6, 7'de gösterilmektedir. İlk MWCNT'lerin TEM görüntüleri, tüplerin kanallarında kapsüllenmiş metal parçacıkları gösterir (oklarla işaretlenmiştir).

Örnek 4'e benzer şekilde, orijinal MWCNT numunesinin 2600 °C'de ısıtılmasıyla karakterize edilir. Transmisyon elektron mikroskobu ile elde edilen ısıtılmış MWCNT'lerin görüntüleri Şekil 8'de gösterilmektedir. Yüksek çözünürlüklü TEM görüntüleri, nanotüplerin kapalı uçlarını göstermektedir.

Örnek 4'e benzer şekilde, orijinal MWCNT'nin bir örneğinin 2800 °C'de 15 dakika ısıtılmasıyla karakterize edilir. Transmisyon elektron mikroskobu ile elde edilen ısıtılmış MWCNT'lerin görüntüleri Şekil 9'da gösterilmektedir. Resimler, genişlemelerin önemsiz bir payının oluşumunu göstermektedir.

tablo 1
Bir Fe-Co / Al203 katalizörü kullanılarak elde edilen, ısıtmadan sonra MWCNT'lerdeki safsızlıkların içeriğine ilişkin X-ışını spektral floresan verileri
eleman
İlk MWCNT'ler	MWCNT_2200 ° С örnek 1	MWCNT_2600 ° C örnek 2	MWCNT_2800 ° С örnek 3
Fe	0.136	0.008	ayak izi	ayak izi
İle	0.0627	ayak izi	ayak izi	ayak izi
Al	0.0050	ayak izi	ayak izi	ayak izi
CA	ayak izi	0.0028	0.0014	ayak izi
Ni	0.0004	ayak izi	ayak izi	ayak izi
Si	0.0083	0.0076	ayak izi	Numara
Ti	Numara	0.0033	ayak izi	ayak izi
S	ayak izi	Numara	Numara	Numara
Cl	0.111	Numara	Numara	Numara
Sn	0.001	0.001	ayak izi	ayak izi
Ba	Numara	Numara	Numara	Numara
Cu	0.001	0.001	ayak izi	ayak izi
izler - 1 ppm'nin altındaki eleman içeriği

Tablo 2
Bir Fe-Co / CaCO 3 katalizörü kullanılarak elde edilen, ısıtmadan sonra MWCNT'lerdeki safsızlıkların içeriğine ilişkin X-ışını spektral floresan verileri
eleman	Safsızlık içeriğinin tahmini, ağırlıkça %
İlk MWCNT'ler	MWCNT_2200 ° С örnek 4	MWNT_2600 ° С örnek 5	MWCNT_2800 ° С örnek 6
Fe	0.212	0.0011	0.0014	0.001
İle	0.0936	ayak izi	ayak izi	ayak izi
Al	0.0048	ayak izi	ayak izi	ayak izi
CA	0.0035	0.005	0.0036	ayak izi
Ni	0.0003	ayak izi	ayak izi	ayak izi
Si	0.0080	0.0169	0.0098	ayak izi
Ti	Numara	ayak izi	0.0021	0.0005
S	0.002	Numara	Numara	Numara
Cl	0.078	Numara	Numara	Numara
Sn	0.0005	ayak izi	ayak izi	ayak izi
Ba	0.008	Numara	Numara	Numara
Cu	ayak izi	ayak izi	ayak izi	ayak izi

Tablo 3
İlk ve ısıtılmış MWCNT numunelerinin BET spesifik yüzey alanı
MWCNT örneği (katalizör)	S vuruş, m 2 / g (± %2,5)
MWNT_ish (Fe-Co / Al 2 O 3)	390
MWNT_2200 (Fe-Co / Al 2 O 3) örnek 1	328
MWNT_2600 (Fe-Co / Al 2 O 3) örnek 2	302
MWNT_2800 (Fe-Co / Al 2 O 3) örnek 3	304
MWNT_inx (Fe-Co / CaCO 3)	140
MWCNT_2200 (Fe-Co / CaCO 3) örnek 4	134
MWCNT_2600 (Fe-Co / CaCO 3) örnek 5	140
MWCNT_2800 (Fe-Co / CaCO 3) örnek 6	134

Şekil başlıkları:

1. Fe-Co / Al 2 O 3 katalizörü üzerinde sentezlenen ilk MCNT örneğinin elektron mikroskobik görüntüleri. Sol - düşük çözünürlüklü TEM görüntüsü. Sağ, alt - arızalı MWCNT duvarlarını gösteren yüksek çözünürlüklü TEM görüntüsü.

incir. 2. 2200 ° C sıcaklıkta ısıtılan bir Fe-Co / Al 2 O 3 katalizörü üzerinde sentezlenen bir MWCNT örneğinin elektron mikroskobik görüntüleri. Sol - düşük çözünürlüklü TEM görüntüsü. Sağ, alt - yüksek çözünürlüklü TEM görüntüsü. MWCNT'lerin yapısı daha az kusurlu hale gelir, nanotüplerin uçları kapanır.

Şekil 3. Bir Fe-Co / Al 2 O 3 katalizörü üzerinde sentezlenen, 2600 ° C sıcaklıkta ısıtılan bir MCNT örneğinin elektron mikroskobik görüntüleri. Sol - düşük çözünürlüklü TEM görüntüsü. Sağda, aşağıda, MWCNT'lerin kapalı uçlarını gösteren yüksek çözünürlüklü bir TEM görüntüsü. MWCNT'lerin duvarları daha pürüzsüz ve daha az kusurlu hale gelir.

4. Fe-Co / Al 2 O 3 katalizörü üzerinde sentezlenen 2800 ° C sıcaklıkta ısıtılan bir MWCNT örneğinin elektron mikroskobik görüntüleri. Sol - düşük çözünürlüklü TEM görüntüsü. Sağ, alt - daha az kusurlu MWCNT duvarlarını gösteren yüksek çözünürlüklü TEM görüntüsü.

Şekil 5. 2800 ° C sıcaklıkta ısıtılan, Fe-Co / Al 2 O 3 katalizörü üzerinde sentezlenen bir MWCNT örneğinin elektron mikroskobik görüntüleri, iç içe grafen katmanlarından oluşan silindirik oluşumlar olan MWCNT yapısındaki kusurların görünümünü yansıtır. sağ üst yüksek çözünürlüklü TEM görüntüsünde görüntülenir.

Şekil 6. Fe-Co / CaCO 3 katalizörü üzerinde sentezlenen ilk MWCNT örneğinin elektron mikroskobik görüntüleri. Sol - düşük çözünürlüklü TEM görüntüsü. Sağ, alt - MWCNT'lerin düzensiz yüzeyini gösteren yüksek çözünürlüklü TEM görüntüsü. Sağ üstte, karbon nanotüplerin (oklarla işaretlenmiş) kanallarının içinde kapsüllenmiş katalizör parçacıkları görülebilir.

Şekil 7. Fe-Co / CaCO 3 katalizörü üzerinde sentezlenen 2200 ° C sıcaklıkta ısıtılan bir MWCNT örneğinin elektron mikroskobik görüntüleri. Sol - düşük çözünürlüklü TEM görüntüsü. Sağ, alt - daha pürüzsüz MWCNT duvarlarını gösteren yüksek çözünürlüklü TEM görüntüsü.

Şekil 8. Fe-Co / CaCO 3 katalizörü üzerinde sentezlenen 2600 ° C sıcaklıkta ısıtılan bir MWCNT örneğinin elektron mikroskobik görüntüleri. Sol - düşük çözünürlüklü TEM görüntüsü. Sağda, aşağıda, MWCNT'lerin kapalı uçlarını gösteren yüksek çözünürlüklü bir TEM görüntüsü. MWCNT'lerin duvarları daha pürüzsüz ve daha az kusurlu hale gelir.

Şekil 9. Bir Fe-Co / CaCO 3 katalizörü üzerinde sentezlenen 2800 ° C sıcaklıkta ısıtılan bir MWCNT örneğinin elektron mikroskobik görüntüleri. Sol - düşük çözünürlüklü TEM görüntüsü. Sağ, alt - yüksek çözünürlüklü TEM görüntüsü.

1. Aktif bileşenler olarak Fe, Co, Ni, Mo, Mn ve bunların kombinasyonlarını içeren katalizörler kullanılarak hidrokarbonların pirolizi ile elde edilen çok katmanlı karbon nanotüplerin saflaştırılması yöntemi ve ayrıca taşıyıcılar olarak Al 2 O 3, MgO, CaCO 3 - kaynama bir hidroklorik asit çözeltisi içinde su ile daha fazla yıkama, asit muamelesinden sonra, çalışma alanındaki sıcaklığın 2200-2800 olduğu bir sıcaklık gradyanına sahip bir fırında yüksek saflıkta bir argon akışında ısıtmanın gerçekleştirilmesiyle karakterize edilir. ° C, fırının kenarlarında sıcaklık 900-1000 ° C'dir, bunun sonucunda 1 ppm'den daha az metal safsızlık içeriğine sahip çok katmanlı nanotüpler elde edilir.

2. Isıtmanın yüksek saflıkta grafitten yapılmış ampullerde gerçekleştirilmesiyle karakterize edilen, istem l'e göre yöntem.

kromik anhidrit içeren sülfürik asit içinde. Bununla birlikte, nanoelmas granüllerin kaba fraksiyonunun önceden uzaklaştırılması gereklidir. Referanslar 1. Spitsyn B.V., Davidson J.L., Gradoboev M.N., Galushko T.B., Serebryakova N.V., Karpukhina T.A., Kulakova I.I., Melnik N.N. Patlama nanoelmas modifikasyonuna giden yol // Elmas ve İlgili Malzemeler, 2006, Cilt. 15, s. 296-299 2. Pat. 5-10695, Japonya (A), Krom kaplama solüsyonu, Tokyo Daiyamondo Kogu Seisakusho K.K., 27.04.1993 3. Dolmatov, V.Yu. Dolmatov V.Yu., Burkat GK Yeni bir kompozit metal elmas elektroliz kaplama sınıfının temeli olarak patlama sentezinin ultra ince elmasları // Superhard malzemeleri, 2000, V. 1.- P. 84-94 4. Gregory R. Flokülasyon ve sedimantasyon - temel ilkeler // Spec. Kimya, 1991, Cilt. 11, sayı 6, s. 426-430 UDC 661.66 N.Yu. Biryukova1, A.N. Kovalenko1, S.Yu. Tsareva1, L.D. Iskhakova2, E.V. Zharikov1 Rus Kimya-Teknoloji Üniversitesi, V.I. DI. Mendeleev, Moskova, Rusya Fiber Optik Bilim Merkezi RAS, Moskova, Rusya 1 2 BENZENİN KATALİTİK PİROLİZ YÖNTEMİYLE ELDE EDİLEN KARBON NANOTUBLARIN SAFLANMASI Bu çalışmada, çok duvarlı nanotüplerin fiziksel ve kimyasal yöntemler sunulmuştur. Piroliz ürünlerinin morfolojik özellikleri incelenerek her aşamanın etkinliği kontrol edilmiştir. Kağıt, çok katmanlı karbon nanotüplerin fiziksel ve kimyasal yöntemlerle saflaştırılması ve ayrılmasına ilişkin deneysel çalışmaların sonuçlarını sunmaktadır. Her saflaştırma aşamasının verimliliği, piroliz ürünlerinin morfolojik özelliklerindeki değişiklik ile izlendi. Hidrokarbonların katalitik pirolizi yöntemi, karbon nanotüplerin sentezi için umut verici yöntemlerden biridir. Yöntem, sentez parametrelerinin uygun organizasyonu ile tek duvarlı, çok duvarlı nanotüpler, yönlendirilmiş karbon nanoyapı dizileri elde etmeyi mümkün kılar. Aynı zamanda, nanotüpler ile birlikte karbon içeren bileşiklerin pirolizi ile elde edilen ürün, katalizör partikülleri, amorf karbon, fullerenler vb. gibi önemli miktarda safsızlık içerir. Fiziksel yöntemler (santrifüjleme, ultrasonik etki, filtrasyon) genellikle kimyasal (yüksek sıcaklıklarda gaz veya sıvı ortamda oksidasyon) ile kombinasyon halinde bu safsızlıkları (santrifüjleme, ultrasonik arıtma, filtrasyon) gidermek için kullanılır. Bu çalışmada, çok katmanlı nanotüplerin yan ürünlerden ayrılması ve saflaştırılması için birleşik bir yöntem test edildi, çeşitli reaktiflerin etkinliği belirlendi. İlk tortu, ön katalizör olarak demir pentakarbonil kullanılarak benzenin katalitik pirolizi ile elde edildi. Tortu hidroklorik, sülfürik ve nitrik asitlerle işlendi. Nanotüp kümeleri, 22 kHz frekansında ultrason ile parçalandı. Tortuyu fraksiyonlara ayırmak için santrifüj kullanıldı (3000 rpm, işlem süresi - 1 saate kadar). Asidik işleme ek olarak, kimya ve kimya teknolojisinde USP EKhI'de nanotüplerin ısıl işlemini de kullandık. Cilt XXI. 2007. No. 8 (76) 56 havada. En iyi temizliği elde etmek için, farklı yöntemlerin optimal sırası oluşturulmuştur. Piroliz ürünlerinin morfolojik özellikleri ve saflaştırma derecesi, taramalı elektron mikroskobu, Raman spektroskopisi ve X-ışını faz analizi ile izlendi. UDC 541.1 TR Golubina, N.F. Kizim, V.V. Rusya Kimya Teknoloji Üniversitesi Moskalenko Novomoskovsk Enstitüsü. DI. Mendeleeva, Novomoskovsk, Rusya SU SİSTEMİNDE ÇEKİM ÖZELLİKLERİ ÜZERİNDEKİ NAN YAPILARININ ETKİSİ - ErCl3 - D2EHPK - KİNETİK HEPTANı Çıkarılan Er (III) D2EHPA'nın heptan (kinetik eğrinin konsantre alanı) içindeki çözeltisinin kinetik özelliği, Prosesin başlangıcında dinamik arayüzey katmanlarındaki yüksek oran, konsantrasyon elementi ve solventten dinamik arayüzey katmanlarının gözden geçirilmiş kalınlığına bağlı olarak aşırı eğilim, ekstraksiyon sürecinde nanoyapıların önemli bir kısmında gösterilir. Heptan içinde D2EHPA çözeltileri ile erbiyum (III) ekstraksiyonunun kinetik özellikleri (kinetik eğriler üzerindeki konsantrasyon alanları, yüksek hız sürecin başında DMS'de birikmesi, gözlemlenen DMS kalınlığının elementin ve özütleyicinin konsantrasyonlarının oranına bağımlılığının aşırı karakteri), ekstraksiyon sürecinde nanoyapıların önemli bir rolü olduğunu gösterir. Ekstraksiyon sistemlerinde çeşitli nano nesnelerin ortaya çıkabileceği bilinmektedir: adsorpsiyon katmanları, miseller, misel jeller, veziküller, polimer jeller, kristal jeller, mikroemülsiyon, nanodispersiyon, emülsiyon. Özellikle, uzaysal yapısı ≈0.2 çapında ve 2-3 μm uzunluğunda çubuk şeklindeki parçacıklardan oluşan La (OH) 3-D2EHPA-dekan-su sisteminde bir organojel oluşur. D2EHPA'nın sodyum tuzu, suyun yokluğunda 53 nm yarıçaplı ters silindirik miseller oluşturur. V enine kesit miseller, polar gruplar tarafından merkeze ve hidrokarbon zincirleri tarafından organik çözücüye doğru yönlendirilmiş üç NaD2EHF molekülü bulunur. Böyle bir kafesin durumu, elemanın doğasına bağlıdır. Co (D2EHP) 2 durumunda, 225'den büyük bir agregasyon sayısı ile makromoleküler yapılar oluşturulur. Ni (D2EHP) 2 (muhtemelen Ni (D2EHP) 2⋅2H2O) durumunda, agregasyon sayısı ≈5.2 olan agregalar belli olmak. Belirli koşullar altında, ≈15 nm'lik bir hidrodinamik yarıçapa sahip polimer moleküler yapıların oluşumu mümkündür. Lantan, D2EHPA çözeltileri ile ekstrakte edildiğinde, toplu ve yapısal olarak sert bir lantan alkil fosfat oluşur, bu da arayüzde lantan alkil fosfat tek tabakasının esnekliğinde bir azalmaya neden olur. Nanoyapıların oluşumu hem sistemin denge özelliklerini hem de sürecin kinetiğini etkiler. REE'lerin çıkarılması, kendiliğinden yüzey konveksiyonunun (SPC) ortaya çıkması ve gelişmesi, yapısal-mekanik bir bariyerin oluşumu, faz dağılımı vb. Sonuç olarak Kimyasal reaksiyon D2EHPA ile element arasında, "azdan büyüğe" mekanizmasına göre nanoyapıların oluşumuna neden olan, az çözünür bir tuz oluşur. Bu çalışmanın amacı, nanoyapıların heptan içinde D2EHPA çözeltileri ile erbiyum (III) ekstraksiyonunun kinetik özellikleri üzerindeki etkisini belirlemekti. U S P E Kh I kimya ve kimya teknolojisinde. Cilt XXI. 2007. No8 (76) 57