Определение теплоты сгорания углеродных нанотрубок методом бомбовой калориметрии
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
ествует. Большинство авторов называют многостенной углеродной трубкой совокупность одностенных УНТ, как бы вдетых одна в другую; то есть множество строго коаксиальных углеродных цилиндров с последовательно увеличивающимся диаметром. Также почти все авторы называют углеродным нановолокном очень дефектные трубки, графитовые слои которых не упорядочены или же трубки с большим диаметром (более 80 - 100 нм), в которых внутренняя упорядоченность не наблюдается. На рис. 5 представлены электронные микрофотографии высокого разрешения классической УНТ (А) и нановолокна (Б). Видно, что в классической УНТ графитовые слои идут параллельно друг другу и стенкам трубки, а в нановолокне они мало упорядочены и изгибаются, проходя через центр.
Рис. 5. Структуры классической УНТ (А) и нановолокна (Б).
.2 Способы получения УНТ
В настоящее время существует два основных принципиально разных способа получения углеродных наноматериалов [6]:
а) сублимация графита с последующим его осаждением;
б) пиролиз органических соединений.
Сублимацию углерода проводят в дуговым разрядом, либо лазером, нагревая графитовую мишень до температуры ~4000oК. Для увеличения выхода УНТ обычно используют катализаторы - металлы, их соли или сплавы. Самыми эффективными катализаторами являются на основе Fe, Ni, Co.
Пиролиз органических соединений проводится также на металлических катализаторах при температуре 600-1500оС на вольфрамовой нити или в печи. В качестве источника углерода обычно используют достаточно термоустойчивые углеводороды (бензол, ацетилен, метан), благодаря чему в условиях эксперимента некаталитическое разложение, приводящее к образованию сажи или графита, сводится к минимуму.
.2.1 Синтез в дуговом разряде
Именно с помощью дугового разряда впервые были получены УНТ, охарактеризованные структурно. Принципиальная схема установки для дугового получения УНТ приведена на рис. 6: в герметичной камере в атмосфере обычно инертного газа удерживаются на заданном расстоянии два электрода, с которых с помощью дуги осуществляется испарение материала электрода и его последующее осаждение на охлаждаемых стенках камеры. Чаще всего в качестве материала электродов используют графит, или даже уголь. Для увеличения выхода УНТ обычно используют катализаторы: в аноде высверливают отверстие, которое заполняют соединениями металлов. Обычно в качестве катализаторов используют соединения Fe, Co, Ni, иногда легированные Cr, Mo, Y и другими элементами; реже - вообще без катализаторов [7].
Рис. 6. Схема установки для получения УНТ в дуговом разряде.
Обычно выход максимален при давлении около 13 кПа, при этом получаются довольно похожие результаты: сильно загрязнённые сажей многостенные и одностенные УНТ.
Таким образом, несмотря на то, что с помощью дугового разряда можно получать довольно большие количества материала, их ещё необходимо тщательно очищать для удаления графита и аморфного углерода, что делает этот метод не слишком эффективным. Также, из-за большой температуры дуги довольно сложно контролировать морфологию получающихся трубок.
.2.2 Синтез лазерным испарением графита
Другой способ сублимации углерода - облучение лазером графитовой мишени, содержащей катализатор. Типичная установка, используемая в подобных случаях, представлена на рис.7 [8]. Мишень (спрессованная и прокалённая в инертном газе смесь порошка графита и смеси оксидов переходных металлов или самих металлов), находящуюся в печи в токе инертного газа, облучают обычно Nd:YAG лазером. При облучении происходит испарение графита и катализатора, реакция между ними и в конечном итоге УНТ осаждаются на охлаждаемом коллекторе. В результате получаются преимущественно одностенные УНТ или МУНТ с малым (до 10) числом стенок, загрязнённых аморфным углеродом. В оптимальных условиях можно достигнуть до 90% чистоты одностенных УНТ.
Рис. 7. Схема установки получения УНТ лазерным облучением.
К достоинством метода относится лёгкость контроля и изменения условий синтеза, в результате чего возможно получение УНТ с узким распределением по диаметру, однако главный недостаток - крайне сложное масштабирование, связанное с дороговизной лазеров, сводит почти на нет практическое применение метода для получения УНТ в больших количествах.
.2.3 Пиролитическое разложение органических соединений
Установка, используемая для пиролиза углеродсодержащего сырья (обычно относительно термоустойчивых углеводородов, таких как ацетилен, метан или бензол), является куда более простой, по сравнению с описанными в п. 2.2.1 и п. 2.2.2. Основной её элемент - печь, нагревающаяся до температуры не выше 1000оС, а также находящийся в ней реактор - обычно кварцевая трубка, в которой и происходит каталитическое разложение.
Обычно используют два основных способа ввода катализатора в реакционный объём: использование подложки, на которой каким-либо методом (например, золь-гель) нанесён катализатор, либо получение катализатора одновременно с синтезом УНТ.
Самый распространённый из перечисленных методов - использование предварительно приготовленной подложки, материал которой должен обладать целым рядом свойств, таких как инертность к образуемым УНТ, большая удельная поверхность с возможностью лёгкого нанесения и стабилизации частиц катализатора определённого размера, термостойкость, а также возможность его несложного растворения для получения чис?/p>