Определение теплоты сгорания углеродных нанотрубок методом бомбовой калориметрии
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
альным методом анализа (позволяет судить о свойствах очень малого фрагмента исследуемого образца), метод позволяет непосредственно получать данные о морфологии материалов и их размерах (длина, ширина, распределение по диаметрам). В материаловедении чаще всего используются сканирующая и просвечивающая микроскопия. Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения позволяет исследовать очень детально отдельные трубки - с её помощью возможно определения даже числа графитовых слоёв, образующих трубку, расстояния между ними, расположение и дефектность.
2.4.2 Спектроскопия комбинационного рассеяния
Другой часто используемый метод исследования УНТ - спектроскопия комбинационного рассеяния, позволяет получать информацию, как об отдельных трубках, так и об их агломератах. Спектр столь непростого объекта как углеродная трубка сложно интерпретировать. В них обычно выделяют несколько линий: радиальные колебания (между 120 и 250 см-1), G-линию (около 1600 см-1), менее интенсивные D- (около 1350 см-1) и M- (около 1750см-1) линии, а также промежуточные колебания (в интервале частот между радиальными колебаниями и D-линией) - рис. 10.
Рис. 10. Типичный КР спектр одностенных УНТ.
Наиболее просто представить себе радиальные колебания и колебания, проявляющие в G -линии. В первом случае происходящие колебания сужают и растягивают углеродную трубку, а во втором - происходят колебания графитовых слоёв в плоскости[10][11] (рис. 11).
Рис. 11. Радиальные колебания и колебания G-линии одностенной УНТ.
Радиальные колебания, обнаруживаемые в рамановском спектре в интервале от 120 до 250 см-1, позволяют не только судить о том, что в исследуемом углеродном образце присутствуют одностенные трубки (так как ни графит, ни другие формы углерода не имеют подобных колебаний), но и определить их диаметр. Также в условиях резонансной спектроскопии, подобрав длину волны лазера, соответствующую энергии перехода между энергетическими уровнями одностенной трубки, можно снять спектр единичной трубки и определить её диаметр по частоте радиальных колебаний, которая обратно пропорциональна диаметру одностенной трубки.
Также немало информации об одностенных трубках дают колебания G-линии (около 1600см-1). В случае достаточно узких трубок (диаметром менее ~ 2нм) единственная линия, которая была бы в случае графита или трубки большого диаметра, разбивается на две линии G- и G+ с меньшей и большей энергией соответственно, частоты которых также зависят от диаметра, но и от их проводимости (металлические трубки имеют широкие пики G- и G+ сопоставимой интенсивности, а полупроводниковые - узкий пик G+ и узкую линию небольшой интенсивности G- - рис. 12).
Другие линии в случае одностенных трубок имеют куда меньшую интенсивность, но с их помощью можно также извлечь информацию о трубках. Например, интенсивность D-линии зависит от дефектности и с её помощью можно обнаружить присутствие аморфного углерода, а её частота зависит от хиральности трубок.
Многостенные трубки являются куда более сложными объектами для анализа, которые, хоть и можно представить как совокупность одностенных трубок, вставленных друг в друга, имеют ряд особенностей. Так, например, их диаметры на порядок превосходят диаметр одностенных трубок, а в их структуре обычно присутствует немало дефектов. Из-за этого принципиально меняются и их рамановские спектры: радиальные колебания, наблюдаемые для небольших трубок, отсутствуют в спектрах УНТ; расщепление G-линии и зависимость её частоты от диаметра, обусловленная искривлением графитового слоя, пропадают (рис. 12). Благодаря, подчас, дефектной структуре интенсивность D-линии существенно увеличивается, что делает затруднительным определение аморфного углерода в образце.
Рис. 12. Спектры КР разных типов углеродных материалов.
.4.3 Термический анализ
Куда более простым методом исследования, позволяющим оценить количество примесного аморфного углерода в образце, а также количество присутствующего в нем металла, является термогравиметрия (термопрограммируемое окисление материала на воздухе). Углеродные трубки, являясь более упорядоченными структурами, по сравнению с аморфным углеродом, окисляются на воздухе медленнее и при более высокой температуре, поэтому при постепенном повышении температуры первым выгорает аморфный углерод, затем - УНТ, а оставшаяся масса соответствует оксиду металла-катализатора (рис. 13). Видно, что присутствующие в больших количествах аморфные углеродные образования окисляются при температурах около 398oC, а УНТ - 474оС[12],[13].
Рис. 13. Результаты ТГ анализа образца УНТ, загрязнённого аморфным углеродом и металлом.
.4.4 Рентгеновская дифракция
Также материалы, содержащие УНТ, часто исследуются с помощью рентгеновской дифракции. Одним из наиболее важных параметров, характеризующих свойство слоистых материалов, является межсплоскостное расстояние. Известно, что расстояние между слоями в идеальном кристалле графита составляет 0.3354 нм. В случае углеродных нанотрубок расстояние между соседними слоями заметно больше. Принято считать, что оно близко к 0.34 нм. Существует, однако, целый ряд факторов, которые могут искажать идеальную цилиндрическую структуру многослойных нанотрубок. К таким факторам относятся дефекты в пределах слоя (пяти- и семичленные циклы), наличие атомов (ионов) между слоями, взаимодействие трубок друг с другом, что может проявиться при их объединении в пуч