Из углеродных нанотрубок при определенных условиях удалось получить углеродные нанокольца (УНК), обладающие рядом новых свойств. Описана лабораторная технология синтеза УНК и приведены результаты их атомно-силовой микроскопии.

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по нанотехнологиям
Другие серии книг:
Мир материалов и технологий
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #8/2012
В.Кондрашов, В.Неволин
Углеродные нанокольца. Лабораторный метод получения
Просмотры: 3121
Из углеродных нанотрубок при определенных условиях удалось получить углеродные нанокольца (УНК), обладающие рядом новых свойств. Описана лабораторная технология синтеза УНК и приведены результаты их атомно-силовой микроскопии.
Установка для синтеза УНК была специально спроектирована и изготовлена для производства УНТ, нановолокон и УНК (рис.1). Синтез углеродного наноматериала происходит на каталитических частицах, образующихся в результате высоковольтного разряда. Установка состоит из реакторной камеры, двух электронных блоков управления, форвакуумного насоса, системы подачи парогазовой смеси (ПГС).
В качестве источника ПГС выбран азеотропный этанол, поскольку его легко получить в чистом виде: молекулы этанола содержат атомы кислорода, что стимулирует окисление термодинамически нестабильных углеродных структур. Это позволяет иметь на выходе более чистый и стабильный материал. Важно отметить, что продукты пиролиза этанола – только окислители: вода и диоксид углерода. Более того, использование этанола обеспечивает в ПГС постоянную концентрацию паров воды на уровне 4%.
Конструкция основной камеры реактора позволяет создавать между электродами высоковольтный электрический разряд. Патрубки для подвода и отвода ПГС расположены таким образом, что ее поток соосен электрическому разряду. Для предотвращения конденсации ПГС на стенках реактора они подогреваются до 40оС.

В установке реализованы возможность контроля и управления параметрами синтеза с использованием компьютерной приставки National Instruments (cDAQ-9172) и программного обеспечения LabVIEW, а также записи течения эксперимента. В процессе синтеза контролируются температура, давление внутри камеры, подаваемое на электроды напряжение, ток, частота разряда, расстояние между электродами.
Источник ПГС представляет собой емкость с этанолом, нагретым до заданной температуры, через которую дозированно барботируется атмосферный воздух. В результате за счет разности давлений в основном реакторе и источнике ПГС она попадает в зону реакции.
Разрядные электроды из металла катализатора или графита, содержащего этот металл (рис.2), помещались в держатель. Камера откачивалась до давления 20 мбар. Программно задавались параметры разрядного промежутка, и источник ПГС выводился на рабочий режим. После этого ПГС подавалась в разрядный промежуток основного реактора, где на катализаторе происходил синтез наноматериала. Затем подача ПГС прекращалась, и напряжение на электродах отключалось. Для удаления летучих продуктов реакции камера продувалась. Полученный материал (рис.3) исследовался с использованием атомно-силовой и электронной микроскопии.

Механизм роста УНК
Этанол в камере под действием высоких температур вблизи шнура разряда разлагается на атомы углерода, адсорбируется и растворяется в частицах катализатора. В процессе охлаждения он выходит на поверхность катализатора в структурированном виде. Поскольку имеется ограниченное количество мест десорбции, такой углерод структурируется в УНТ. На протяжении всего синтеза процесс повторяется многократно, что приводит к увеличению ее длины. Предполагается, что частицы катализатора, перемещаясь под действием электромагнитного поля и конвективных потоков в разрядном промежутке, замыкают УНТ саму на себя и скручиваются в свитки [5] и пружины [6–8]. Важно отметить, что диаметр УНТ определяется размером частицы катализатора. В результате, управляя параметрами разряда, можно добиться отделения от электрода частиц катализатора заданного размера. Устойчиво получаемые размеры каталитических частиц из нержавеющей стали (NiFe 64%) составляют от 5 до 78 нм. В отличие от стандартных процессов катализатор образуется непосредственно в процессе синтеза и не теряет своих свойств. Использование действующего по оси разряда продольного магнитного поля создает у частиц катализатора вращательный момент, что повышает вероятность образования УНК [9, 10] и свитков [5].
С целью поиска оптимального материала для образования УНК в установке использовались несколько типов электродов. В частности, были опробованы цельный из нержавеющей стали, составной угольный с порошковой набивкой и угольный с пропиткой никелевым золь-гелем [11].
Сплошной электрод из нержавеющей стали обеспечивает возможность отделить каталитические кластеры, однако короткие импульсы высокой напряженности не позволяют получить тонкие и скрученные УНТ (рис.4). Исследование с помощью атомно-силового микроскопа показало наличие протяженных толстых пучков УНТ толщиной более 80 нм (рис.4б). Были также исследованы каталитические частицы, полученные без подачи ПГС, которые имеют в диаметре характерные размеры до 78 нм.
Композитный электрод с набивкой из каталитического порошка никеля показал лучшие результаты – полученные УНТ оказались тоньше и длиннее (рис.4в).
Пропитанный золь-гелем [Ni(NH3)6]Cl2 электрод позволил получать протяженные структуры, свитки и УНК (рис.5). При этом использовался мягкий режим обработки с минимальными напряжениями, поскольку не было необходимости отделять каталитические частицы от цельного металла, а продолжительное время протекания тока в шнуре разряда приводило к закручиванию частиц катализатора по спирали. Толщина УНТ и УНК составила 1–3 нм.
В целом по результатам проделанной работы можно отметить следующее:
на основе каталитического пиролиза этанола из газовой фазы на частицах катализатора разработана лабораторная методика получения УНТ различного диаметра;
показана возможность получения нанодисперсных порошков металлов заданного диаметра;
с применением пропитанных золь-гель-катализатором угольных электродов продемонстрировано получение УНК;
полученные результаты могут помочь в решении некоторых проблем микро- и наноэлектроники, а также в изучении теоретически предсказанных свойств УНК.
Литература
1. J.A.Rodrı´guez-Manzo, F.Lo´ pez-Urı´as, M.Terrones and H.Terrones. Magnetism in Corrugated Carbon Nanotori: The Importance of Symmetry, Defects, and Negative Curvature. – Nano Lett., 2004, v.4, №11, p.2179–2183.
2. Xinqi Chen, Sulin Zhang, Dmitriy A.Dikin, Weiqiang Ding and Rodney S. Ruoff* Lujun Pan and Yoshikazu Nakayama. Mechanics of a Carbon Nanocoil. – Nano Lett., 2003, v.3, №9, p.1299–1304.
3. Richard Martel, Herbert R. Shea and Phaedon Avouris. Ring Formation in Single-Wall Carbon Nanotubes. – J. Phys. Chem. B, 1999, v.103, №36, p.7551–7556.
4. Раков Э.Г. Методы непрерывного производства углеродных нановолокон и нанотрубок. – Химическая технология, 2003, №10, с.2–7.
5. J.-F.Colomer, L.Henrard, E.Flahaut, G.Van Tendeloo, A.A.Lucas and Ph.Lambin. Rings of Double-Walled Carbon Nanotube Bundles. – Nano Lett., 2003, v.3, №5, p.685–689.
6. A.Volodin, M.Ahlskog, E.Seynaeve, C.Van Hae-sendonck A.Fonseca and J.B.Nagy. Imaging the Elastic Properties of Coiled Carbon Nanotubes with Atomic Force Microscopy. – Physical Rev. Lett., 2000, v.84, №15, p.3342–3345.
7. K.Hernadi, L.Thien-Nga and L.Forro. Growth and Microstructure of Catalytically Produced Coiled Carbon Nanotubes. – J. Phys. Chem. B, 2001, №105, p.12464–12468.
8. Ruiping Gao, Zhong L.Wang and Shoushan Fan. Kinetically Controlled Growth of Helical and Zigzag Shapes of Carbon Nanotubes. – J. Phys. Chem. B, 2000, №104, р.1227–1234.
9. Barry J.Cox and James M.Hill. New Carbon Molecules in the Form of Elbow-Connected Nanotori. – J. Phys. Chem. C, 2007, №111, p.10855–10860.
10.Chern Chuang, Yuan-Chia Fan, and Bih-Yaw Jin. Generalized Classification Scheme of Toroidal and Helical Carbon Nanotubes. – J. Chem. Inf. Model., 2009, №49, p.361–368.
11.Бобринецкий И.И., Неволин В.К., Симу-
нин М.М. Технология производства углеродных нанотрубок методом каталитического пиролиза из газовой фазы этанола. – Химическая технология, 2007,
№2, c.58–62.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art