Определение теплоты сгорания углеродных нанотрубок методом бомбовой калориметрии
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
Определение теплоты сгорания углеродных нанотрубок методом бомбовой калориметрии
Содержание
1.Введение
.Обзор литературы
.1 Структура и модификации углеродных нанотрубок
2.2 Способы получения УНТ
2.2.1 Синтез в дуговом разряде
.2.2 Синтез лазерным испарением графита
.2.3 Пиролитическое разложение органических соединений
2.3. Модель формирования УНТ
.4. Методы исследования УНТ
2.4.1. Электронная микроскопия
.4.2 Спектроскопия комбинационного рассеяния
.4.3.Термический анализ
.4.4 Рентгеновская дифракция
2.5.Термодинамические свойства углеродных материалов
3.Экспериментальная часть
3.1 Исходные реагенты
.2 Методы исследования
3.2.1 Термогравиметрический анализ
3.2.2 Рентгеновская дифракция
.2.3 Спектроскопия комбинационного рассеяния
.2.4 Бомбовая калориметрия
.2.5 Сканирующая электронная микроскопия
.Обсуждение результатов
.Выводы
.Список литературы
1.Введение
Конец ХХ века ознаменовался открытием новых форм углерода, представляющие собой замкнутые структуры, поверхности которых построены из углеродных шестиугольников и пятиугольников, аналогично структуре графита. Наиболее интересными разновидностями этих углеродных структур являются фуллерены и нанотрубки.
В последние годы наблюдается подлинный бум исследований направленных на получение и изучение свойств этих материалов, связанный с уникальными физико-химическими свойствами данных структур. Разработка любого нового материала проходит ряд стадий от постановки конкретной задачи, проведения экспериментов, изучения фундаментальных свойств до широкого применения в конечном целевом продукте. На начальных этапах особенно важно изучить физико-химические свойства и характеристики материала, на основе которых можно будет проводить дальнейшие теоретические расчеты и моделирование, высказывать научные предположения, и желательно это сделать распространенным и дешевым методом, который можно применять систематически для характеристики образцов.
В данной работе определяются теплоты сгорания углеродных наноматериалов. Кроме того проводится ряд экспериментов по результатам которых оцениваются структурные характеристики материала.
2.Обзор литературы
.1 Структура и модификации углеродных нанотрубок
У углерода существует множество аллотропных модификаций с очень разнообразными свойствами. На рис. 1 приведены некоторые из них.
Рис. 1. Основные модификации углерода: А - алмаз, Б - графит, В - лонсдейлит, Г-фуллерен, Д - аморфный углерод, Е - нанотрубка.
Наиболее интересным в последнее время материалом на основе углерода являются углеродные нанотрубки, которые обычно подразделяют на одностенные (ОУНТ) и многостенные (МУНТ), а также выделяют близкие по свойствам и структуре к ним углеродные нановолокна (УНВ). Одностенные углеродные трубки представляют собой цилиндры, свёрнутые из графеновых слоев, причём направление этого сворачивания может быть разным. Его принято обозначать парой целых неотрицательных чисел (n,m) таких, что Ch=na1+ma2 (рис. 2.). Таким образом, данная трубка (n,m) будет образована таким образом, что точки O и A на рис. 2. совместятся, а вектор трансляции T будет направлен параллельно оси трубки. Эта пара индексов однозначно задаёт диаметр, угол ? (называемый хиральным углом) и вектор одномерной трансляции T. Обычно также на концах трубки в процессе синтеза образуются полусферы, представляющие собой половину, соответствующего диаметру трубки, фуллерена [1], [2], [3] (рис. 3).
Из всего многообразия трубок в зависимости от угла хиральности ? выделяют два вида (рис. 3): (а) ?=30o - кресло, (b) ?=0o - зигзаг, в противном случае (с) УНТ называют просто хиральной. Свойства одностенных УНТ, отвечающих разным парам индексов (n,m), могут очень сильно отличаться. Так, например, нанотрубка обладает металлической проводимостью, если выполнено условие m-n=3q, где q - целое число или является полупроводником при невыполнении этого условия. Таким образом, все УНТ вида кресло обладают металлической проводимостью, а другие - могут быть как проводниками, так и полупроводниками. Подобные свойства одностенных УНТ обуславливают перспективы их использования в электронике.
Многостенные нанотрубки обладают значительно бльшим разнообразием форм и конфигураций. Существует, по крайней мере, два их принципиально различающихся вида: несколько вложенных друг в друга одностенных трубок или же свиток из графитового слоя (рис. 4) [4]. Расстояние между соседними слоями в УНТ почти во всех случаях имеет тот же порядок, что и расстояние между слоями углерода в графите - 0,344 нм. Обе структуры реализуются на практике, о чём свидетельствуют эксперименты, например, по их окислению, в результате чего окисляются лишь концевые фрагменты - в случае модели свитка реакция происходила бы и по краю слоя [5].
Рис. 4. Схематическое изображение наиболее распространенных структур многослойных нанотрубок.
Также существуют предположения, что структура УНТ может изменяться в зависимости от способа получения. Например, если их получают при высоких температурах (более ~2000К) образуются свитки, а при низких температурах - матрёшки.
Чёткого разграничения понятий нанотрубка и нановолокно не сущ