Определение теплоты сгорания углеродных нанотрубок методом бомбовой калориметрии
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
образца УНТ 5,10,09 Fe
Рис. 29. Результаты ТГ анализа образца УНТ8,10,09 Co
Рис. 30. Результаты ТГ анализа образца УНТ10,07,09 Fe
Рис. 31. Результаты ТГ анализа образца УНТ 10,09,09 Fe
Рис. 32. Результаты ТГ анализа образца УНВ Fe.
В спектрах КР углеродных материалов традиционно наблюдаются две основные полосы: G, которая связана с тангенциальными колебаниями С-С связей и характеризует упорядоченную составляющую углеродной фазы, и D, обусловленную двойным резонансным рамановским эффектом, характеризующую неупорядоченную составляющую, в частности, дефекты в графитовых слоях. Как оказалось, соотношение интенсивностей линий D/G, позволяющее оценить количество дефектов в материале, больше у углеродных волокон (1,280), что обусловлено наличием большого количества sp3-гибридизованных углеродных атомов на концах графитовых слоев. УНТ 8,10,09 Co также дефектны (D/G = 0,937), поскольку их структура претерпевает нарушение sp2-гибридизации атомов углерода из-за присутствия атомов азота. Остальные образцы мене дефектны (D/G = 0,6). Соотношение G/G позволяет оценить взаимодействия дальнего порядка между графитовыми слоями (таблица7). Полученные данные подтверждают структуру наноматериаллов: рожки, волокна и азотосодержащие УНТ имеют наименьшие значения G/G, так как они обладают менее регулярной структурой; для цилиндрических трубок значения выше в несколько раз.
Рис.33. КР спектр УНТ 5,10,09 Fe
Рис.34. КР спектр УНТ 8,10,09 Co
Рис.35. КР спектр УНТ 10,07,09 Fe
Рис.36. КР спектр УНТ 10,09,09 Fe
Рис.37. КР спектр УНВ Fe.
Таблица 7.Соотношение D/G и G/G пиков КР спектров.
ОбразецD/GG'/GG'/G*УНТ 5,10,09 Fe0,6480,4670,833УНТ 8,10,09 Co0,9370,145-УНТ 10,07,09 Fe0,7750,101-УНТ 10,09,09 Fe0,5300,7020,761УНВ Fe1,2800,153-*-для получения данных использовались материаллы [19].
Энтальпии образования УНТ рассчитывали согласно энтальпийной диаграмме по разности энтальпии сгорания графита и УНТ.
Рис. 38. Энтальпийная диаграмма.
Сжигание образцов в калориметрической бомбе проводится не при стандартных условиях(давление в бомбе 30 атм).
Реакцию взаимодействия УНТ с кислородом можно записать в следующем виде:
Cx+xO2=xCO2
Мольная энергия сгорания ?cUm равна произведению удельной энергии сгорания на молярную массу вещества (М=12), тогда мольная энтальпия сгорания равна:
?cHm=?cUm+?(pV)=?cUm+?nRT
?cUm - мольна энергия сгорания вещества [кДж/моль];
?n - измерение количества газа в ходе реакции сгорания [моль];
R - универсальная газовая постоянная (8,314Дж/моль/К);
T - температура (298,15 К).
Изменение количества газа в результате реакции связано лишь с образованием оксидов металлов-катализаторов, что составляет ?n=0,005 моль:
?cHm=?cUm+0,005RT=?cUm+12,4Дж
Что составляет порядка 0,1% от общей теплоты, выделившейся при сгорании образца, что ниже погрешности эксперимента. Также необходимо удостоверится в том, что вклад энтальпии окисления металл в общую энтальпию также невелик:
Обе величины вписываются в рамки погрешности измерений. Поэтому в дальнейшем изменением давления будем пренебрегать, полагая, что
?cHm=?cUm.
Итак, теплоту сгорания в калориметрической бомбе можно целиком отнести к теплоте сгорания УНТ.
Образцы наноматериала перед сжиганием спрессовывались в таблетки с бензойной кислотой в соотношении 1 к 2 по массе, полученные данные корректировали по теплоте сгорания бензойной кислоты (?cUo=26434Дж/г).
Энтальпию образования УНТ рассчитывали согласно энтальпийной диаграмме по разности сгорания УНТ и графита. Теплота сгорания графита ?cUo=-3276211Дж/г.
Таблица 7 .Энергия сгорания образцов наноматериала.
Образец?cU Дж/г?cH кДж/г*УНТ 5,10,09 Ni34050,46123,381,2880,123УНТ 5,10,09 Fe32975,61127,850,21360,128УНТ 8,10,09 Co30791,7640,36-1,970,0436УНТ 10,07,09 Fe34374,05188,881,6120,188УНТ 10,09,09 Fe32958,15173,650,1960,1736УНВ Fe32380,6172,44-0,3810,0724*-энтальпия образования рассчитана относительно энтальпии образования графита.
5.Выводы
С помощью методов синхронного термического анализа, сканирующей электронной микроскопии, ренгеновской дифракции и спектроскопии комбинационного рассеяния изучены многостенные углеродные нанотрубки, азотосодержащие многостенные углеродные нанотрубки, углеродные нановолокна и нанорожки. На основании полученных данных рассчитано количество примесей металлов-катализаторов в данных материалах. Методом адиабатической бомбовой калориметрии определены теплоты сгорания указанных материалов, рассчитаны энтальпии их образования. Впервые показано, что для углеродных нановолокон и азотосодержащих многостенных углеродных нанотрубок эти величины имеют отрицательные значения, что, вероятно, свидетельствует о наличии в их структуре окисленных атомов углерода.
На основе данных спектроскопии комбинационного рассеяния проведена оценка дефектности структур всех типов материалов: количество sp3-гибридизованных атомов углерода увеличивается в ряду: многостенные углеродные нанотрубки, углеродные нанорожки, азотосодержащие многостенные углеродные нанотрубки, углеродные нановолокна.
6.Список литературы
1.P. Delhaes, J.P. Issi, S. Bonnamy and P. Launois, Polymorphism and Structure of Carbons (p.11-13).
.S. Reich, L. Li, and J. Robertson, Structure and formation energy of carbon nanotube caps.
.M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, and R. Saito, Physics of carbon nanotubes.
.Sumio lijima Helical microtubules of graphitic carbon.
.Zhao X., Ando Y., Qin L.-C., Kataura H., Maniwa Y., Saito R., Radial breathing modes of multiwalled carbon nanotubes. // Chem. Phys. Lett. 2002. V. 361. P.