Исследование возможности применения наноразмерных углеродных материалов в электродах твердотельных конденсаторов с двойным электрическим слоем (ионисторов)
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
»ичестве, достаточном для детального исследования их физико-химических свойств. В дуговом разряде постоянного тока с графитовыми электродами при напряжении 15-25 В, токе в несколько десятков ампер, межэлектродном расстоянии в несколько миллиметров и давлении Не в несколько сот торр происходит интенсивное термическое распыление материала анода. Продукты распыления, содержащие, наряду с частицами графита, также некоторое количество фуллеренов, осаждаются на охлаждаемых стенках разрядной камеры, а также на поверхности катода, более холодного по сравнению с анодом. Рассматривая этот катодный осадок с помощью электронного микроскопа, Иджима обнаружил, что в нем содержатся протяженные цилиндрические трубки длиной свыше микрона и диаметром в несколько нанометров, поверхность которых образована графитовыми слоями. Трубки имеют куполообразные наконечники, содержащие, подобно молекулам фуллеренов, шестиугольники и пятиугольники. Трубки характеризуются различной хиральностью, т.е. углом ориентации графитовой плоскости относительно оси трубки.
В условиях эксперимента относительное содержание нанотрубок в катодном осадке не превышает несколько процентов, и, поскольку трубки, так же как и другие углеродные частицы, присутствующие в катодном осадке, нерастворимы в органических растворителях, задача их выделения из осадка в чистом виде сопряжена с серьезными техническими трудностями. Последующие исследования по оптимизации производства нанотрубок и повышению их относительного выхода показали, что условия горения дуги с графитовыми электродами, оптимальные для производства нанотрубок, несколько. В первую очередь это отличие касается давления буферного газа (Не), которое в оптимальных с точки зрения производства нанотрубок условиях составляет 500 торр. Кроме того, к повышению выхода нанотрубок приводит использование катода большого диаметра (свыше 10 мм). В результате оптимизации в установках, спроектированных специально для этой цели, стало возможным производство нанотрубок в граммовых количествах, а содержание нанотрубок в катодном депозите превысило 60%. Схема одной из таких установок, показана на рис. 7. В этой установке особое внимание уделено организации эффективного отвода тепла от электродов, для чего они помещаются в медные вставки, охлаждаемые с помощью многоканальной системы прокачки воды. Кроме того, специальное автоматизированное устройство обеспечивает поддержание межэлектродного расстояния на фиксированном уровне 1-2 мм, что способствует увеличению стабильности параметров дугового разряда, которая, как оказалось, является необходимым условием получения высокого выхода нанотрубок.
Рис. 7. Схема электродуговой установки для получения нанотрубок в граммовых количествах: 1 - графитовый анод; 2 - осадок, содержащий нанотрубки; 3 - графитовый катод; 4 - устройства для автоматического поддержания межэлектродного расстояния на заданном уровне; 5 - стенка камеры. Стрелками показаны направления прокачивания воды, используемой для охлаждения
Максимальный выход нанотрубок наблюдается при минимально возможном токе дуги, необходимом для ее стабильного горения. Случайное повышение тока лишь на несколько минут превращает хорошую сажу с высоким содержанием нанотрубок в бесполезный твердый кусок запекшегося графита.
Исследования, выполненные с помощью электронного микроскопа высокого разрешения, показали, что осадок, образующийся на катоде в результате горения дуги с графитовыми электродами, имеет сложную пространственную структуру.
Получение открытых и однослойных нанотрубок путем окисления
При использовании для получения нанотрубок электрической дуги с графитовыми электродами образуются преимущественно многостенные нанотрубки, диаметр которых изменяется в диапазоне от одного до нескольких десятков нанометров.
Методы очистки и обработки нанотрубок с помощью окислителей основаны на том обстоятельстве, что реакционная способность протяженного графитового слоя, содержащего шестичленные графитовые кольца и составляющего поверхность нанотрубок, значительно меньше соответствующей характеристики для сфероидальной поверхности, содержащей также некоторое количество пятичленных колец.
Для очистки нанотрубок, удаления их вершин и уменьшения числа слоев в них можно использовать также и жидкие окислители, которые в некоторых отношениях оказываются более удобными, чем газообразные. Простой и эффективный метод селективного открытия нанотрубок - с помощью концентрированной азотной кислоты в качестве окислителя. Катодный осадок, полученный стандартным электродуговым способом, наряду с наночастицами, содержал около 25% многослойных нанотрубок.
Термическое распыление в дуге в присутствие катализаторов
Углеродные нанотрубки, получаемые в дуговом разряде, обычно имеют относительно небольшую длину (менее 1 мкм). Это обстоятельство, а также относительно высокая стоимость данного материала, обусловленная низкой производительностью его синтеза, затрудняют практическое использование нанотрубок. Указанные недостатки нанотрубок удается в значительной степени преодолеть в рамках дальнейшего развития технологии получения нанотрубок с заданными характеристиками в дуговом разряде, которое связано с применением катализаторов. Этот подход хорошо себя зарекомендовал в технологии получения полых углеродных волокон, обладающих аномально высокими механически