Методы роста углеродных нанотрубок

NovaInfo 34, скачать PDF
Опубликовано
Раздел: Химические науки
Язык: Русский
Просмотров за месяц: 41
CC BY-NC

Аннотация

Углеродные нанотрубки, которые являются одним из самых привлекательных исследований предметом ученых, был синтезирован двумя различными известный способами роста нанотрубок: химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и метод дугового разряда и лазерной абляции. В обоих методах, железный катализатор с покрытием диоксида кремния используется для роста углеродных нанотрубок.

Ключевые слова

ХИМИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ (CVD), УГЛЕРОДНАЯ НАНОТРУБКА, НАНОТЕХНОЛОГИЯ

Текст научной работы

Методы дугового разряда и лазерной абляции

Метод дугового разряда и метод лазерной абляции для роста нанотрубок активно развиваются в течении последних пятнадцати лет. Эти методы также используются для производства фуллеренов. Оба метода предполагают конденсацию атомов углерода, полученных от испарения твердых источников углерода. Температуры, участвующие в этих методах, близкие к температуре плавления графита, 3000-4000 ° С. В лазере температура абляции может подняться до 10000 ° С.

При методе дугового разряда, атомы углерода упаривали в плазме газообразного гелия, зажженного большим током, прошедшего через противоположно расположенных анод и катод. Данный метод был разработан как способ получения многослойных нанотрубок и одностенных нанотрубок высокого качества.

Нанотрубки могут быть получены путем регулирования условий роста, таких как давление инертного газа в разрядной камере и ток дуги. В 1992 году прорыв в росте нанотрубок методом дугового разряда был сделан Эббесеном и Аджаяном, которые достигли роста и высокого качества углеродистых нанотрубок на уровне грамма (рис. 1) [4]. Синтезированные нанотрубки имеют длину порядка десяти микрон и диаметром в диапазоне 5-30 нм. Нанотрубки обычно связаны друг с другом и образуют плотные пучки. УНТ, полученные методом дугового разряда свидетельствуют об их высокой кристалличности.

Побочными продуктами процесса роста дуговым разрядом являются многослойные графитовые частицы в форме многогранников. Очистка нанотрубок может быть достигнута путем нагревания материала в среде кислорода для окисления от графитовых частиц. Частицы графита обладают более высокой скорость окисления, чем нанотрубки; тем не менее, процесс очистки окисление также удаляет значительную часть нанотрубок.

Для роста однослойных нанотрубок, металлический катализатор необходим в системе дугового разряда. Первый успех в производстве значительного количества однослойных нанотрубок от дугового разряда был достигнут Бетюном и его сотрудниками в 1993 году. Они использовали анод углерода, содержащий небольшой процент кобальтового катализатора, в эксперименте метода разряда, и обнаружили, обильные нанотрубки, генерируемые в сажи материала [1].

Также сообщается рост одностенных углеродных нанотрубок в способе дугового разряда с использованием металлических катализаторов [2]. Рост высококачественных нанотрубок в масштабе 1:10 был достигнут Смолли и его коллегами, использовавших метод лазерной абляции (лазерной печь).

Схема экспериментальной установки метода дугового разряда для нанотрубок [3].
Рисунок 1. Схема экспериментальной установки метода дугового разряда для нанотрубок [3]

В 1996 году метод был введен для производства углеродных нанотрубок под названием метод лазерной абляции (рис. 2) [5]. В методе используются мощные лазерные импульсы для абляции углерода, содержащий 0,5 атомных процентов никеля и кобальта. Углерод помещался в трубчатую печь, нагретую до 1200 ° С. Во время лазерной абляции, поток инертного газа пропускают через камеру роста. Полученные нанотрубки в основном представлены в виде канатов, состоящих из десятков отдельных нанотрубок плотно упакованных в гексагональной формы. Оптимизация роста нанотрубок методом дугового разряда был достигнут Журне и соавторами с использованием углеродного анода, содержащего 1,0 атомный процент иттрия и 4,2 атомных процентов никеля в качестве катализатора.

В период роста нанотрубок методами дугового разряда и лазерной абляции, типичные побочные продукты включают в себя фуллерены, графитовые многогранники из закрытых металлических частиц, и аморфный углерод в виде частиц. Процесс очистки для нанотрубок был разработан Смолли с сотрудниками и в настоящее время широко используется многими исследователями. Способ включает в себя кипячение с выращенных нанотрубок в растворе азотной кислоты в течение длительного периода времени, окисляя от аморфных видов углерода и удаления некоторых видов металлического катализатора.

Схематическое представление метода лазерной абляции [3].
Рисунок 2. Схематическое представление метода лазерной абляции [3]

Метод химического осаждения паров (CVD)

Метод химического осаждения из паровой фазы (CVD) (рис. 3) используется на протяжении 4 лет для производства углеродных волокон. Он основан на разложении углеродсодержащих газов на металлические катализаторы при температурах реакции ниже 1000 ° С, что значительно ниже температур, участвующих в методе дугового разряда и методе лазерной абляции [6].

Процесс роста включает нагревание материала катализатора до высоких температур в трубчатой печи и проводит углеводородный газ через трубчатый реактор в течение некоторого периода времени. Материалы, выращенные на катализаторе собирают при охлаждении системы до комнатной температуры. Ключевыми параметрами роста нанотрубок методом CVD являются углеводороды, катализатор и температура роста. Активные каталитические частицы, как правило, наночастицы, сформированные на носителе, такие как оксид алюминия. Общий механизм роста нанотрубок в процессе CVD включает диссоциацию молекул углеводородов, катализируемой переходным металлом, и растворение и насыщенность атомов углерода металлическими наночастицами.

Осаждение углерода насыщенными металлическими частицами приводит к образованию других углеродных трубчатых тел. Образование канальцев способствует созданию других форм углерода, таких как графитовые слои с открытыми краями. Это потому, что трубка не содержит оборванные связи, и, следовательно, в виде низкой энергии. Для роста нанотрубок, большинством методов CVD, используют этилен или ацетилен в качестве исходного сырья углерода и температура роста, как правило, в диапазоне 550- 900 ° С. Железо, никель или кобальт часто используются в качестве катализатора. Основанием для выбора этих металлов в качестве катализатора для роста нанотрубок методом CVD заключается в фазовых диаграммах для металлов и углерода. При высоких температурах, углерод имеет конечную растворимость в этих металлах, что приводит к образованию связки металл-углерод и, следовательно к механизму роста. Железо, кобальт и никель являются также предпочтительными каталитическими металлами в методах лазерной абляции и дугового разряда. Этот простой факт может намекнуть, что лазер, газоразрядные и CVD методы роста могут иметь общий механизм роста нанотрубок, хотя и очень разные подходы используются для обеспечения сырьем углерода.

Схематическое представление экспериментальной установки для роста нанотрубок методом химического осаждения.
Рисунок 3. Схематическое представление экспериментальной установки для роста нанотрубок методом химического осаждения

В 2000 году М. Су и др. представили новую форму порошка катализатора, состоящего из Fe, Mo, Al для производства высококачественных нанотрубок при температуре около 850 — 1000 ° С [7]. В 2001 году Ли и др. достигли успеха в производстве углеродных нанотрубок на железном катализаторе с помощью процесса CVD, в котором газы сначала проходят зону с температурой 850 °, а затем зону с температурой 550 ° C [8].

Эмменеггер и др. в 2003 году провел другое исследовании. Он предложил использовать снова железо в качестве катализатора, заявляя, что такие параметры, как время осаждения, температура и концентрация нитрата железа влияет на плотность нанотрубок, и, кроме того, они предложили несколько механизмов роста для роста УНТ [9].

Во всех вышеупомянутых исследований железо был катализатором, а газ С2Н2 был источником углерода для роста нанотрубок. Тем не менее, во многих других исследованиях металлы, такие как Ni и Со, используют в качестве катализатора. А газ метан (СН4) был использован в качестве источника углерода для каталитического роста углеродных нанотрубок методом CVD.

Конг и др., в 1998 году, произвели одностенные углеродные нанотрубки с использованием кремния и оксид алюминия, катализатора Fe2O3, используя метан в качестве источника углерода. Они также получили нанотрубки при температуре 1000 ° С с помощью различных катализаторов, как показано на таблице 1 [10].

Таблица 1. Результаты исследования применения различных видов катализатора при производстве нанотрубок методом CVD

Состав катализатора

Вспомогательный материал

Углеродные нанотрубки?

Описание синтезированных материалов

Fe2O3

Алюминий

Да

Обильные нанотрубки; некоторые связки; двухстенные трубки

Fe2O3

Кремней

Да

Обильные связки нанотрубок

CoO

Алюминий

Да

Связки нанотрубок и отдельные нанотрубки

CoO

Кремний

Нет

Не синтезированный материал

NiO

Алюминий

Нет

Дефектные многостенные структуры с частичной металлической частью

NiO

Кремней

Нет

Не синтезированный материал

NiO/CoO

Алюминий

Нет

Не синтезированный материал

NiO/CoO

Кремний

Да

Связки нанотрубок

В 2001году Ли и др. исследовали влияние температуры на рост углеродных нанотрубок и пришли к выводу, что скорость роста, диаметр, плотность, и структура углеродных нанотрубок можно регулировать путем регулирования температуры роста (табл. 2) [12]; Затем они сравнили эффект катализатора на углеродистые нанотрубки, синтезированных методом термического CVD с использованием катализаторов Ni, Co, Fe [13].

Таблица 2. Влияние температуры и используемого металла на время реакции и расход потока металла при производстве и росте нанотрубок [12]

Используемые металлы

Время реакции (мин.)

Температура

(°C)

Расход газа: N2 поток; C2H2 поток (мл/мин)

Co-V

60

700

120; 15

Co-V

60

600

120; 15

Co-V

30

700

120; 15

Co-V

45

700

120; 15

Co-V

60

700

200; 25

Co-V

60

700

85; 25

Co-Fe

60

600

120; 15

Co-Fe

60

700

120; 15

Co-Ni

60

700

120; 15

Co-Pt

60

700

120; 15

Co-Y

60

700

120; 15

Co-Cu

60

700

120; 15

Co-Sn

60

700

120; 15

Co-V

60

700

120; 15

Co-V

60

700

120; 15

Выводы

Исследовав методы роста углеродных нанотрубок можно сделать выводы, что при методе дугового разряда, атомы углерода упаривали в плазме газообразного гелия, зажженного большим током, прошедшего через противоположно расположенных анод и катод, а при методе лазерной абляции был разработан как способ получения многослойных нанотрубок и одностенных нанотрубок высокого качества.

При методе CVD процесс роста включает нагревание материала катализатора до высоких температур в трубчатой печи и проводит углеводородный газ через трубчатый реактор в течение некоторого периода времени. Материалы, выращенные на катализаторе собирают при охлаждении системы до комнатной температуры. Ключевыми параметрами роста нанотрубок методом CVD являются углеводороды, катализатор и температура роста.

Читайте также

Список литературы

  1. Бетюн, Д.С., Кланг, С.Н., Де Врис, М.С., Горман, Г., Савойя, Р., Васкес, Дж., Бейерс, Р., "Кобальт - катализируемый рост углеродной нанотрубки с одним атомным слоем стен ", Природа, 363, p605,1993г.
  2. Ииджима, С., Итихаси, Т., "С одной оболочкой углеродные нанотрубке 1 нм Диаметр ", Природа, 363, р603, 1993г.
  3. Сайто, Р., Дресселгауз, М.С., Дресселгауз Г., "Физические свойства углеродных нанотрубок ", Имперский колледж Press, London, 1998г.
  4. Эббесен, T.W., Аджаян, Л.С., "Крупномасштабный синтез углеродных нанотрубок ", Природа, 358, р220, 1992г.
  5. Фес, А., Ли, Р., Николаев, П., "Кристаллические связки металл- углеродных нанотрубок ", Наука, 273, p483, 1996г.
  6. Шендерова О.А., Жирнов, В. В., Бреннер, Д.В., "Углеродная наноструктура " Критические отзывы в твердых телах и материалов Наук, 27 (3/4), P227, 2002г.
  7. Су, М., Чжэн, Б., Лю, Джи., "Масштабируемый способ CVD для синтеза однослойных углеродных нанотрубок с высокой производительностью катализатора ", Химическая физика письма, 322, р321, 2000г.
  8. Ли, C.J., Сын, К.Н., Парк, Дж., Ю, J.E., Ли, J.Y., "Низкий рост температуры вертикально ориентированных углеродных нанотрубок методом CVD ", Химическая физика письма, 338, р113, 2001г.
  9. Эмменеггер, С., Бонард, Ж.-М., Maурон П., Судан, П., Лепора А., "Синтез углеродных нанотрубок с катализатором Fe и алюминий", Карбон, 41, р539, 2003г.
  10. Гонконг, Дж., Касселл, М., Дай, Х., "Химическое осаждение паров метана для одностенных углеродных нанотрубок", Химической физики письма, 292, p567, 1998г.
  11. Мухопадкий, К., Кошио А., Сугаи, Т., Танака, Н., Шинохара, Х., Конья, З., Надь, Ж.В., "Массовое производство выровненных пучков углеродных нанотрубок методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) ", Химическая физика письма, 303, р117, 1999г.
  12. Ли, C.Дж., Парк, Дж., Да, Ю. , Ли, Жи. И., "Влияние температуры на рост углеродных нанотрубок с использованием химического осаждения из паровой фазы ", Химическая физика письма, 343, р33, 2001г.
  13. Ли, C.Д., Парк, Дж., Ю, А., "Эффект катализатора на углеродные нанотрубки синтезированием методом CVD", Химическая физика письма, 360, р250, 2002г.

Цитировать

Вернета, А.И. Методы роста углеродных нанотрубок / А.И. Вернета, В.А. Подшивалкин. — Текст : электронный // NovaInfo, 2015. — № 34. — URL: https://novainfo.ru/article/3646 (дата обращения: 06.12.2022).

Поделиться