A szén nanocsövek növekedésének módszerei
Kémiai tudományok
A szén nanocsövek, amelyek egyike a legvonzóbb kutatási téma tudósok, állítunk elő, a különböző ismert módszerekkel nanocső növekedés: kémiai gőzfázisú leválasztó (CVD) eljárást és az ívkisülés és lézeres abláció. Mindkét eljárás során szilícium-dioxiddal bevont vas-katalizátort alkalmaznak szén nanocsövek előállítására.
Kapcsolódó anyagok
Az ívkibocsátás és a lézer abláció módszerei
Az elmúlt tizenöt évben aktívan fejlődik az ívkibocsátási módszer és a nanocső növekedésének lézeres ablációs módszere. Ezeket a módszereket fullerének előállítására is felhasználják. Mindkét módszer magában foglalja a szilárd szénforrások bepárlásából kapott szénatvözet kondenzációját. Az ilyen eljárásokban alkalmazott hőmérséklet közel áll a grafit olvadáspontjához, 3000-4000 ° C-ig. Lézerben az ablációs hőmérséklet 10 000 ° C-ra emelkedhet.
Az ívkitöltési módszerben a szénatomokat héliumgázt tartalmazó plazmában pároltuk le, amelyet nagy áramlás váltott ki, egy ellenkezőleg elhelyezkedő anódon és egy katódon keresztül. Ezt a módszert úgy fejlesztették ki, mint egy eljárást a többrétegű nanocsövek és az egyfalú nanotubák kiváló minőségű előállítására.
Az ívkiseléses növekedési folyamat melléktermékei többszilárd grafitrészecskék poliéder formájában. A nanocsövek tisztítását úgy érhetjük el, hogy az anyagot oxigénközegben a grafittartalmú részecskékből oxidáljuk. A grafitszemcsék nagyobb oxidációs sebességgel rendelkeznek, mint a nanocsövek; mindazonáltal a tisztítási folyamat oxidációja szintén eltávolítja a nanocsövek jelentős részét.
Az egyfalú szén nanocsövek növekedését fémkatalizátorok alkalmazásával ívkisüléses módszerrel is számolják [2]. A csúcsminőségű nanocsövek növekedését 1:10-es skálán végezték Smalley és kollégái, akik a lézer ablációs eljárást (lézeres kemence) használják.
1. ábra. A nanocsövek ívkibocsátási módszerének kísérleti telepítésének terve [3].
Növekedése során nanocsövek ívkisüléssel és lézeres abláció tipikus melléktermékek közé tartoznak a fullerének, grafit poliéderek zárt fémrészecskék és amorf szén formájú részecskék. A nanocsövek tisztítási folyamatát Smully és munkatársai fejlesztették ki, és sok kutató széles körben használják. Az eljárás magában foglalja refluxáló termesztett nanocsövek egy salétromsav-oldatot hosszú ideig, oxidáló faj amorf szén és eltávolítása bizonyos típusú fém katalizátor.
2. ábra. A lézer ablációs módszer skálai ábrázolása [3].
A kémiai gőzölés módszere (CVD)
A kémiai gőzölés módszerét (CVD) (3. ábra) 4 évig alkalmazták szénszálak előállítására. Ez alapján a bomlási széntartalmú gázok fémkatalizátorok a reakció hőmérsékletén 1000 ° C alatti, jóval a hőmérsékleteket a módszer és a ívkisülés módszer, lézeres abláció [6].
A növekedési folyamat során a katalizátoranyagot magas hőmérsékleten melegítjük egy cső alakú kemencében, és a szénhidrogéngázt a csőreaktoron keresztül egy ideig folytatjuk. A katalizátoron növesztett anyagokat összegyűjtjük úgy, hogy a rendszert szobahőmérsékletre hűtjük. A nanocsövek CVD-módszerrel történő növekedésének kulcsfontosságú paraméterei a szénhidrogének, a katalizátor és a növekedési hőmérséklet. Az aktív katalizátorrészecskék általában nanorészecskék, amelyek egy hordozóra, például alumínium-oxidra vannak kialakítva. A teljes nanocső növekedési mechanizmusát a CVD eljárás során a disszociációs szénhidrogén molekulák által katalizált egy átmenetifém, valamint az oldódási és a telítettség a szénatomok fém nanorészecskék.
A szén telített fémrészecskék általi kicsapódása más széncső alakú testek kialakulásához vezet. A tubulus képződése megkönnyíti a szén más formáinak kialakulását, például a nyitott élekkel rendelkező grafitrétegeket. Ez azért van így, mert a cső nem tartalmaz lógó összeköttetéseket, és ezért alacsony energiájú. A nanocsövek növekedéséhez a legtöbb CVD módszer. etilén vagy acetilén használunk szénforrásként a nyersanyag és a növekedési hőmérséklet általában a tartomány 550- 900 ° C-on a vas, nikkel vagy kobalt gyakran használják katalizátorként. Ezeknek a fémeknek a katalizátora kiválasztásának alapja a nanocsövek CVD-módszerrel történő növekedéséhez a fémek és a szén fémek fázisdiagramaiban található. Magas hőmérsékleten a szén véges oldhatósága ezen fémekben, ami egy fém-szén kötés kialakulását eredményezi, következésképpen a növekedési mechanizmushoz. A vas, kobalt és nikkel szintén előnyös katalitikus fémek a lézeres ablációs és ívkisüléses eljárásokban. Ez az egyszerű tény arra utal, hogy a lézer-, gázkisülés- és CVD-növekedési módszerek közös mechanizmussal rendelkezhetnek a nanocsövek növekedésére, jóllehet nagyon különböző megközelítéseket alkalmaznak a nyersanyagok előállításához.
3. ábra. A nanocsövek növekedésének kísérleti beállítása a kémiai lerakódás módszerével.
A fenti tanulmányok mindegyikében a vas katalizátor volt, és a szén nanocsövek növekedésének szénforrása volt a C2H2 gáz. Mindazonáltal számos más tanulmányban katalizátorként fémeket, például Ni-t és Co-ot használnak. A szén nanocsövek katalizátor növekedésének szénforrásként szén-dioxid-kibocsátású szénhidrogént használtak a metán gáz (CH4) alkalmazásával.
1. táblázat: Különböző típusú katalizátorok felhasználásának vizsgálata a nanocsövek CVD-vel történő előállítása során
Vizsgálva szén nanocső növekedési módszereket lehet következtetni, hogy az ívkisülés módszer, szénatomokat bepároljuk plazmában héliumgáz lángra egy nagy áram áthalad az egymással szemben lévő anód és a katód, és a módszer a lézeres abláció került kifejlesztésre, mint módszer előállítására többfalú nanocsövek és egyfalú nanocsövek kiváló minőségű.
A CVD eljárásban a növekedési folyamat során a katalizátor anyagot magas hőmérsékletre melegítik egy cső alakú kemencében, és a szénhidrogéngázt a csőreaktoron keresztül egy ideig folytatják. A katalizátoron növesztett anyagokat összegyűjtjük úgy, hogy a rendszert szobahőmérsékletre hűtjük. A nanocsövek CVD-módszerrel történő növekedésének kulcsfontosságú paraméterei a szénhidrogének, a katalizátor és a növekedési hőmérséklet.