хімічні науки
Вуглецеві нанотрубки, які є одним з найпривабливіших досліджень предметом вчених, був синтезований двома різними відомий способами зростання нанотрубок: хімічне осадження з парової фази (CVD) і метод дугового розряду і лазерної абляції. В обох методах, залізний каталізатор з покриттям діоксиду кремнію використовується для росту вуглецевих нанотрубок.
Схожі матеріали
Методи дугового розряду і лазерної абляції
Метод дугового розряду і метод лазерної абляції для зростання нанотрубок активно розвиваються протягом останніх п'ятнадцяти років. Ці методи також використовуються для виробництва фулеренів. Обидва методи передбачають конденсацію атомів вуглецю, отриманих від випаровування твердих джерел вуглецю. Температури, які беруть участь в цих методах, близькі до температури плавлення графіту, 3000-4000 ° С. У лазері температура абляції може піднятися до 10000 ° С.
При методі дугового розряду, атоми вуглецю упаривали в плазмі газоподібного гелію, запаленого великим струмом, що пройшов через протилежно розташованих анод і катод. Даний метод був розроблений як спосіб отримання багатошарових нанотрубок і одностінних нанотрубок високої якості.
Побічними продуктами процесу зростання дуговим розрядом є багатошарові графітові частки в формі багатогранників. Очищення нанотрубок може бути досягнута шляхом нагрівання матеріалу в середовищі кисню для окислення від графітових частинок. Частинки графіту мають більш високу швидкість окислення, ніж нанотрубки; проте, процес очищення окислення також видаляє значну частину нанотрубок.
Також повідомляється зростання одностінних вуглецевих нанотрубок в способі дугового розряду з використанням металевих каталізаторів [2]. Зростання високоякісних нанотрубок в масштабі 1:10 було досягнуто Смолли і його колегами, які використовували метод лазерної абляції (лазерної піч).
Малюнок 1. Схема експериментальної установки методу дугового розряду для нанотрубок [3].
У період зростання нанотрубок методами дугового розряду і лазерної абляції, типові побічні продукти включають в себе фулерени, графітові багатогранники з закритих металевих частинок, і аморфний вуглець у вигляді частинок. Процес очищення для нанотрубок був розроблений Смолли з співробітниками і в даний час широко використовується багатьма дослідниками. Спосіб включає в себе кип'ятіння з вирощених нанотрубок в розчині азотної кислоти протягом тривалого періоду часу, окислюючи від аморфних видів вуглецю і видалення деяких видів металевого каталізатора.
Малюнок 2. Схематичне представлення методу лазерної абляції [3].
Метод хімічного осадження парів (CVD)
Метод хімічного осадження з парової фази (CVD) (рис. 3) використовується протягом 4 років для виробництва вуглецевих волокон. Він заснований на розкладанні вуглецевмісних газів на металеві каталізатори при температурах реакції нижче 1000 ° С, що значно нижче температур, що беруть участь в методі дугового розряду і методі лазерної абляції [6].
Процес зростання включає нагрівання матеріалу каталізатора до високих температур в трубчастої печі і проводить вуглеводневий газ через трубчастий реактор протягом деякого періоду часу. Матеріали, вирощені на каталізаторі збирають при охолодженні системи до кімнатної температури. Ключовими параметрами зростання нанотрубок методом CVD є вуглеводні, каталізатор і температура росту. Активні каталітичні частки, як правило, наночастинки, сформовані на носії, такі як оксид алюмінію. Загальний механізм зростання нанотрубок в процесі CVD включає дисоціацію молекул вуглеводнів, що каталізує перехідним металом, і розчинення і насиченість атомів вуглецю металевими наночастинками.
Осадження вуглецю насиченими металевими частинками призводить до утворення інших вуглецевих трубчастих тіл. Освіта канальців сприяє створенню інших форм вуглецю, таких як графітові шари з відкритими краями. Це тому, що трубка не містить обірвані зв'язки, і, отже, у вигляді низької енергії. Для зростання нанотрубок, більшістю методів CVD. використовують етилен або ацетилен в якості вихідної сировини вуглецю і температура росту, як правило, в діапазоні 550- 900 ° С. Залізо, нікель або кобальт часто використовуються в якості каталізатора. Підставою для вибору цих металів в якості каталізатора для зростання нанотрубок методом CVD полягає в фазових діаграмах для металів і вуглецю. При високих температурах, вуглець має кінцеву розчинність в цих металах, що призводить до утворення зв'язки метал-вуглець і, отже до механізму зростання. Залізо, кобальт і нікель є також кращими каталитическими металами в методах лазерної абляції і дугового розряду. Цей простий факт може натякнути, що лазер, газорозрядні і CVD способи збільшення можуть мати загальний механізм зростання нанотрубок, хоча і дуже різні підходи використовуються для забезпечення сировиною вуглецю.
Малюнок 3. Схематичне представлення експериментальної установки для зростання нанотрубок методом хімічного осадження.
У всіх вищезгаданих досліджень залізо був каталізатором, а газ С2Н2 був джерелом вуглецю для зростання нанотрубок. Тим не менш, у багатьох інших дослідженнях метали, такі як Ni і Со, використовують в якості каталізатора. А газ метан (СН4) був використаний в якості джерела вуглецю для каталітичного зростання вуглецевих нанотрубок методом CVD.
Таблиця 1. Результати дослідження застосування різних видів каталізатора при виробництві нанотрубок методом CVD
Дослідивши способи збільшення вуглецевих нанотрубок можна зробити висновки, що при методі дугового розряду, атоми вуглецю упаривали в плазмі газоподібного гелію, запаленого великим струмом, що пройшов через протилежно розташованих анод і катод, а при методі лазерної абляції був розроблений як спосіб отримання багатошарових нанотрубок і одностінних нанотрубок високої якості.
При методі CVD процес зростання включає нагрівання матеріалу каталізатора до високих температур в трубчастої печі і проводить вуглеводневий газ через трубчастий реактор протягом деякого періоду часу. Матеріали, вирощені на каталізаторі збирають при охолодженні системи до кімнатної температури. Ключовими параметрами зростання нанотрубок методом CVD є вуглеводні, каталізатор і температура росту.