Определение теплоты сгорания углеродных нанотрубок методом бомбовой калориметрии
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
? отличие от графита, где слои лежат параллельно друг другу, в трубках они (слои) искривляются. Вследствие этого в них присутствуют набольшие количества sp3-гибридного углерода, что и обуславливает нестабильность. В результате расчетов получены следующие данные (табл.4):
Таблица 4. Расчетные энтальпии образования нанотрубок.
Нанотрубка, число слоев, n?Hf , кДж/мольR=0.339 нм24.4086.47326.49R=1.695 нм28.6086.93326.53
3.Экспериментальная часть
.1 Исходные реагенты
В качестве исходных веществ при проведении экспериментов использовались: бензойная кислота(99,9%, Merck), углеродные нанотрубки, полученные в лаборатории КГЭ, и углеродные нановолокна, синтезированные во ФГУП Исследовательский центр имени М.В. Келдыша.
.2 Методы исследования
.2.1Термогравиметрический анализ
ТГ-МС анализ проводили на приборе NETZSCH STA 409 PC с подключенным квадрупольным масс-спектрометром Netzsch QMS 403C. Для проведения измерения навеска образца (10 мг) в платиновом тигле помещалась в печь в атмосфере кислорода или инертного газа аргона. Объемная скорость потока газа поддерживалась равной 20 мл/мин для аргона и 40 мл/мин кислорода, при этом блок весов был защищен инертным газом (аргоном) с потоком 20 мл/мин. Измерение проводили в интервале температур от 20 до 1000С. Скорость нагрева составляла 10С/мин. Измерение массы образца относительно массы пустого тигля измерялась с точностью 10-6 г. Результаты измерения обрабатывали с помощью программного обеспечения NETZSCH-analysis.
.2.2 Рентгеновская дифракция
Спектры рентгеновской дифракции регистрировали c использованием автоматического порошкового дифрактометра Дифрактометр РАДИАН ДР-01 фирмы Экспертцентр (геометрия ?-2?, излучение СuK?1, ?=1.54051). Рентгенограммы анализировали с помощью базы порошковых данных PDF-2.
.2.3 Спектроскопия комбинационного рассеяния
Спектры комбинационного рассеяния регистрировались на Рамановском микроскопе-спектрометре Jobbin-Yvon LabRaman HR80 производства HORIBA (япония), оснащенной системой микро-Раман с детектором, охлаждаемым жидким азотом, ф также монохроматором с тюрелью дифракционных решеток. Спектры возбуждали аргоновым лазером при длине волны ?=488 нм. Регистрацию чпектров образцов проводили с использованием дифракционной решетки 2400 штрихов/мм и штатного 100Х объектива.
.2.4 Бомбовая калориметрия
Определение теплот сгорания углеродных нанотрубок проводили с помощью бомбового калориметра e2K производства Digital Data Systems в идентичных условиях в атмосфере кислорода. Предварительно прибор калибровали по теплоте сгоряния бензойной кислоты в тех же условиях, в которых проводился эксперимент.
.2.5 Сканирующая электронная микроскопия
Исследование образцов методом сканирующей электронной микроскопии проводили на микроскопе Joel JSM 6490 LV, оснащенным катодом из вольфрама. Для анализа небольшое количество образца (менее 1 мг) наносили на токопроводящий скотч, находящийся на полированной меднеой подложке, и помещали в камеру микроскопа. Камеру откачивали до остаточного давления 10-6 мм. рт. ст. Образцы подвергались воздействию электронного пучка с энергией первичных электронов, составляющей 25 кВ.
4.Обсуждение результатов
Целью данной работы являлось определение энтальпии образования углеродных нанотрубок из графита в зависимости от типа полученного углеродного материала.
По мере выполнения работы были проведены эксперименты по определению энтальпии сгорания материалов. Состав образцов определяли при помощи метода рентгеновской дифракции, сопоставляя полученные спектры со спектрами металлов, входящих в состав катализаторов при получении соответствующих наноматериалов.
По дифрактограммам образцов было установлено наличие соответствующих металлов-катализаторов; значения углов представлены в таблице 5:
углеродная нанотрубка энтальпия
Таблица 5. Характерные пики Fe, Co, Ni.
Металл2? градNi44,53 51,89Co44,52 47,46Fe42,56 49,56
Рис. 15. Дифрактограмма УНТ 5,10,09 Ni
Рис.16. Дифрактограмма УНТ 5,10,09 Fe
Рис.17. Дифрактограмма УНТ 8,10,09 Co
Рис.18. Дифрактограмма УНТ 10,07,09 Fe
Рис.19. Дифрактограмма УНТ 10,09,09 Fe
Рис.20. Дифрактограмма УНВ Fe
Было рассчитано межплоскостное расстояние d002:
d=?/2/sin(?)
Сu K?1 ?= 1,54051
Таблица 6. Межплоскостные расстояния, рассчитанные по дифрактограммам.
Образец2? градd УНТ 5,10,09 Ni25,833,446УНТ 5,10,09 Fe25,823,448УНТ 8,10,09 Co26,063,416УНТ 10,07,09 Fe25,223,528УНТ 10,09,09 Fe25,683,466УНВ Fe25,993,425
Также сделаны фотографии образцов с помощью сканирующего электронного микроскопа. По снимкам был оценен диаметр нанотрубок: d(УНТ5,10,09Fe)=20-50нм, d(УНТ10,09,09Fe)=10-30нм. И в соответствии найдены КР спектры на сайте [19] похожих материалов для сравнения соотношения G/G(таблица 7).
Рис.21. Фотография УНТ 5,10,09 Ni
Рис.22. Фотография УНТ 5,10,09 Fe
Рис.23. Фотография УНТ 8,10,09 Co
Рис.24. Фотография УНТ 10,07,09 Fe
Рис.25. Фотография УНТ 10,09,09 Fe
Рис.26. Фотография УНВ Fe
По результатам ТГ анализа было оценено количество металла-катализатора в каждом образце для дальнейшего расчета энергии сгорания углеродного наноматериала. Также температурные промежутки: сгоранию аморфного углерода соответствует интервал от 300 до 450С, наноматериал сгорает при температуре от 450-500 до 950С.
Рис. 27. Результаты ТГ анализа образца УНТ 5,10,09 Ni
Рис. 28. Результаты ТГ анализа