WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 2 01;02;06 Получение углеродных нанотрубок в реакциях самораспространяющегося высокотемпературного синтеза © Н.И. Алексеев,1 С.Г. Изотова,2 Ю.Г. Осипов,3 С.В. Половцев,3 К.Н. Семенов,4 А.К. Сироткин,5 Н.А. Чарыков,1 С.А. Керножицкая3 1 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия 2 Санкт-Петербургский технологический университет, Санкт-Петербург, Россия 3 Российский научный центр „Прикладная химия“, 197198 Санкт-Петербург, Россия 4 Санкт-Петербургский государственный университет, 199164 Санкт-Петербург, Россия 5 Институт гриппа РАМН, Санкт-Петербург, Россия e-mail: aleks@mail.ioffe.ru (Поступило в Редакцию 22 июня 2005 г.) Впервые получены углеродные нанотрубки в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Исходными компонентами для проведения синтеза были носители углерода (сода, известняк, фторопласт) и восстановители (магний, литий, натрий) с добавлением никелевого или железного катализатора. Морфология нанотрубок схожа с выращенными химическими методами: прямые многостенные без явных следов катализатора, изогнутые нанотрубки, заполненные катализатором по всей длине, а также углеродные нановолокна. Содержание нанотрубок достигает 2-4 mass.% полученного продукта.

PACS: 61.46.Fg Углеродные нанотрубки (УНТ), выделившиеся как роль специфической матрицы, в которой формируются самостоятельный научный объект в 1991 г. [1,2], интен- зародыши нанотрубок, могут играть атомы щелочного сивно исследуются в связи с широкой возможностью металла, эффективно скручивающие открытые трубчаих использования. Основными и наиболее изученными тые структуры из графеновых фрагментов. Суть излометодами синтеза УНТ является дуговой, описанный женного в [11] механизма состоит в следующем. При в [3], и выращивание УНТ на каталитически обработан- взаимодействии атомов щелочного металла и галогена ной подложке, формируемой в выбранном заранее месте с фрагментами графеновой плоскости атомы металла (CVD-метод [4,5]), или на катализаторе, возникающем в перемещаются на кромку фрагмента, а атомы галогена газовой фазе (метод HIPCO [6]). остаются в месте их первоначального присоединения.

Общим для обоих методов является последователь- При взаимодействии графеновых фрагментов образуется ное восстановление углерода из углеродсодержащего „сэндвичконструкция“ — два фрагмента, соединенные носителя на частице катализатора и его трансформация между собой ван-дер-ваальсовыми силами. Если фрагв твердую кристаллическую фазу с помощью того же менты „обременены“ достаточным количеством атомов катализатора. Частица катализатора в процессе насы- щелочного металла, данная конструкция естественным щается и пересыщается углеродом, являясь, по сути, образом закручивается в структуру типа нанотрубки определителем формы кристаллической фазы углерода. с открытыми кромками. Достаточно лишь однократно сблизить соседние кромки на критическое расстояние, В некаталитических методах синтеза УНТ (например, УНТ катодного депозита в дуге с чисто графитовым ано- и сцепление противоположных кромок происходит уже естественным путем — как достижение энергетически дом) подобным определителем (матрицей) являются, по более выгодной конфигурации.

некоторым предположениям, фуллереновые молекулы, сформировавшиеся в пространстве камеры и оседающие Возможно, подобный механизм лежит и в основе затем на поверхность горячего катода при температуре недавно описанного синтеза УНТ из твердофазного COоколо 2500C [7,8]. и лития при высоком давлении [12]. Выход УНТ при Наличие каталитической наночастицы, или фуллере- этом весьма велик (до 70% углерода трансформируется в нанотрубки), однако сложность реализации метода новой молекулы, не является, однако, необходимым условием синтеза УНТ. В лабораторных вариантах элек- резко ограничивает его практическую ценность).

тролитического синтеза УНТ из расплавов солей [9,10] Иным путем использования щелочного металла в отсутствуют фуллерены и традиционные катализаторы. качестве восстановителя углерода (и одновременно Однако, как показано в [11], в условиях электролиза определителя типа его твердофазной структуры — наПолучение углеродных нанотрубок в реакциях самораспространяющегося высокотемпературного... нотрубочной или какой-либо другой) является само- 1. Эксперимент распространяющийся высокотемпературный синтез — Схема эксперимента вполне традиционна для провеСВС [13]. Под реакцией СВС понимается обычно реакдения твердофазного СВС (рис. 1). Подпрессованная ция, вызываемая локальным во времени и пространстве шихта 1 из смешанных между собой порошков (реатепловым импульсом, который распространяется затем гентов) помещалась внутри стакана 2 из нержавеющей за счет сильного тепловыделения и теплопередачи от стали. Порошки смешивались в шаровой мельнице и горячих слоев к холодным. Метод СВС широко испольпрессовались в виде таблетки при усилии до 3t. Сам зуется для синтеза самых разнообразных материалов, в стакан размещался, в свою очередь, внутри реактора том числе и неуглеродных наноматериалов [14], однако из нержавеющей стали большего диаметра, предусматдля синтеза УНТ, насколько нам известно, ранее не ривающего создание необходимого ваккума или газовой применялся.

среды. В описанных ниже экспериментах диаметр стакаИсходные продукты для проведения реакций СВС с на составлял 60, высота — 80, диаметр СВС-реактора из целью синтеза УНТ должны браться таким образом, нержавеющей стали — около 300 mm.

чтобы один из них был носителем углерода, а другой — До проведения реакции СВС-реактор откачивался его эффективным восстановителем. Нами исследовались форвакуумным насосом до давления порядка 10-2 Atm.

реакции, реализуемые в твердофазном варианте СВС, Запуск реакции осуществлялся подачей напряжения на например (указаны только основные продукты, согласно тонкую нихромовую спираль 4, находящуюся в контакте данным фазового анализа):

с порошкообразной смесью реагентов либо с небольшим воспламенителем 5, обеспечивающим первоначальное (C2F4)n + 4n Li 4n LiF + 2n C, (1) выделение тепла (например, фторопласт–литий). В смеси литий–фторопласт никакой воспламенитель, разуме3(C2F4)n + 4n Li3N 12n LiF + 6n C + n N2, (2) ется, не требовался. На рис. 1 6 — электроды, 7 — изолирующие прокладки.

Na2CO3 + 3Mg 3MgO+ C + 2Na, (3) CaCO3 + 2Mg 2MgO+ CaO + C, (4) 1.1. СВС в смеси фторопласт–литий Эксперименты с данной смесью проводились в трех (C2F4)n + 2n Mg 2n MgF2 + 2n C. (5) существенно различных средах: на воздухе, в инертном Особенное внимание было сосредоточено на реакгазе (аргоне) при давлении 1 Atm и в вакууме. Во всех циях (1) и (3). В реакции (1) используется порошкообразная смесь лития и фторопласта-4. Данный выбор реагентов изначально был продиктован явным сходством промежуточных продуктов, которые получаются в ходе реакции, с продуктами, присутствующими при электролизе расплава ряда солей [5,6], когда нанотрубки действительно образуются. В самом деле, в ходе электролитической диссоциации расплава хлоридов в ванной с графитовыми электродами образуется значительное количество ионов хлора (в общем случае — галогена), ионов щелочного металла, и углерода — продукта разрушения графитового анода. В ходе реакции (1) промежуточными продуктами также должны быть атомы галогена, лития и углерода.

Разумеется, каждый из компонентов реакции (1) является весьма дорогостоящим реагентом, в особенности — порошкообразный литий. Замена лития на магний в (1), т. е. реакция (5), неприемлема с практической точки зрения, т. к. взрывоопасность смеси резко возрастает.

Исходные реагенты в (3) гораздо дешевле, нежели в (1), однако эффективность щелочноземельного металла (магния) для запуска механизма образования УНТ (в отличие от случая лития) была заранее не очевидна.

Столь же дешевы и исходные продукты реакции (4), однако выход углерода оказывается в этом случае существенно ниже. Это и определило выбор реакций (1) Рис. 1. Схема лабораторного реактора для проведения реаки (3). ции СВС-синтеза.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 86 Н.И. Алексеев, С.Г. Изотова, Ю.Г. Осипов, С.В. Половцев, К.Н. Семенов, А.К. Сироткин...

па TEM-100S (JEOL) при увеличении 10 000-100 000, после ультразвукового диспергирования в толуоле. Видно, что кластеры углерода с характерным размером 20-40 nm имеют явно выраженную сфероидальную структуру. Такая структура в целом характерна для технической сажи с малым содержанием водорода [7].

Наноструктур, подобных луковичным, не наблюдалось.

При добавлении металлического катализатора (моноксида никеля NiO, откуда в ходе реакции СВС восстанавливается никель, в количестве 10% от суммарной массы реагентов) большая часть углерода по-прежнему оседала на стенках камеры. Структура сажи менялась незначительно. Структура углероного материала в составе твердого депозита — фторида лития, оседающего на дне стакана, не исследовалась, т. е. количество углерода там в любом случае ничтожно, и его весьма трудно выделить.

1.2. Эксперимент в смеси сода-магний Рис. 2. „TEM“-фотография порошка, полученного при СВС в Эксперимент проводился по описанной выше схеме, системе фторопласт–литий.

за исключением того что для поджига смеси (10 g) использовался 0.5 g воспламенителя — порошкообразной смеси Mg–C2F4.

В отличие от случая фторопласт–литий, углеродный материал, смешанный с другими продуктами реакции (3), оставался на дне стакана. Материал промывался водой с целью удаления натрия и обрабатывался затем азотной кислотой в течение 3 h в режиме кипячения с целью удаления оксида магния, и снова промывался водой. Далее раствор фильтровался, а оставшийся порошок высушивался и анализировался на электронном микроскопе, как и ранее. Характерная „TEM“ фотография порошка, полученного без добавления катализатора, приведена на рис. 4. Видно, что полученный материал Рис. 3. „TEM“ продукт СВС-реакции в системе фторопласт– литий, в увеличенном масштабе.

случаях в отсутствие металлического катализатора наблюдалась следующая картина: происходило самопроизвольное разделение компонент — углерод с крайне небольшой примесью фторида лития оседал на стенках и крышке камеры реактора, а порошкообразный солевой депозит оставался на дне стакана. Визуальное время реакции составляло около 1 s.

Электронная фотография структуры углеродной компоненты приведена на рис. 2, в увеличенном масштабе — на рис. 3. Полученные образцы анализировались Рис. 4. „TEM“ продукта СВС в системе сода-магний без с помощью просвечивающего электронного микроско- добавления катализатора.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Получение углеродных нанотрубок в реакциях самораспространяющегося высокотемпературного... структур (рис. 5). Большинство из них, как видно из фотографий в увеличенном масштабе (рис. 6), являются хаотически изогнутыми углеродными волокнами с длиной в несколько µm. Другие структуры представляют собой многостенные нанотрубки, частично или полностью заполненные каталитическим материалом (никелем) — Рис. 5. „TEM“ продукта СВС в системе сода-магний с добавлением NiO, в увеличенном масштабе.

Рис. 7. „TEM“ продукта СВС в системе сода-магний с добавлением NiO. Многостенные нанотрубки, заполненные катализатором.

Рис. 6. „TEM“ продукта СВС в системе сода-магний с добавлением NiO. Нановолокна.

схож с тем, что представлен на рис. 2, 3, однако его структура более аморфна и хаотична. Добавление катализатора резко изменило ситуацию. Электронные фотографии показывают резкое уменьшение количества Рис. 8. „TEM“ продукта СВС в системе сода-магний с шарообразных углеродных кластеров и столь же задобавлением NiO. Многостенные нанотрубки без явных следов метное увеличение самых разнообразных нитевидных катализатора.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 88 Н.И. Алексеев, С.Г. Изотова, Ю.Г. Осипов, С.В. Половцев, К.Н. Семенов, А.К. Сироткин...

рис. 7. Вместе с тем встречаются и многостенные нано- разлета осколков, время пролета атомов углерода через трубки, полностью свободные от следов каталитического горячую зону синтеза не превышает 10-5 s. Этого недометалла (рис. 8). Интересно, что такие нанотрубки таточно для реализации механизма сборки, описанного всегда прямые, в то время как нанотрубки, заполненные в [11], тем более что по мере разлета концентрация металлом, как правило, изогнутые.

атомарного лития быстро падает. Присутствие каталиВ последнем эксперименте масса чистого никеля в затора или измельченного депозита ничего не меняет составе NiO составляла 10% от массы смеси магния и в этой картине — катализатор просто не успевает соды. Оптимизация по количеству и типу катализатора и сработать.

количеству добавляемого углерода (например, в форме В случае реакции (3) ситуация иная — разлета измельченного катодного депозита или графитовой пудосколков, как в случае (1), не наблюдается. Присутствие ры) не проводилась. Это исследование будет предметом атомарного натрия среди продуктов реакции может запуотдельного сообщения.

стить специфический механизм роста, показанный в [11], однако для этого не хватает: в отсутствие измельченного депозита — готовых строительных блоков, способных 2. Обсуждение результатов быть зародышами нанотрубок, и времени для их формирования; в присутствии измельченного депозита — Несмотря на кажущуюся схожесть промежуточных достаточно количества атомов натрия, обеспечивающих продуктов реакции СВС с продуктами электролитиспецифические свойства взаимодействующих между соческой ванны расплава щелочных металлов (атомы бой графеновых фрагментов.

или ионы щелочного металла), результаты оказываются существенно иными. Прежде всего, в отсутствие ка- При наличии катализатора (оксида никеля) реалитализатора углеродных нанотрубок в продуктах СВС зуется обычный механизм CVD-метода выращивания не наблюдается. Одной из возможных причин этого нанотрубок: никель восстанавливается, разогревается до является отсутствие готовых зародышей нанотрубок в температуры порядка 1600-1800C и плавится. Наномеханизме, описанном в [11], — фрагментов графенокапельки никеля успевают пересыщаться углеродом и вых плоскостей. Поэтому был проведен дополнительдают рост нанотрубкам и нановолокнам.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.