Web design by Aleksey D. Zolotarenko | Contact Us




предыдущая страница                                              следующая страница



Глава 3. Методы получения других углеродных наноструктур

Методы синтеза углеродных одно-, двух- и многостенных нанотрубок и графитовых нановолокон [1-20] можно разбить на пять групп:
• лазерное испарение металл-графитовых электродов,
• электродуговое испарение графита в присутствии катализаторов,
• каталитический пиролиз углеводородов,
• диспропорционирование оксида углерода на металлических катализаторах,
• электролиз расплавленных солей на графитовых электродах.
Наиболее вероятная схема образования углеродных нанотрубок (УНТ) из углеродного пара представлена на рис. 3.1 [15-17]:



Рис. 3.1. Основные стадии роста углеродных нанотрубок различных типов: внизу - поперечные сечения; 1-3 - графитовые слои – отмечен край дислокаций.

Несколько иначе выглядит схема образования графитовых нановолокон каталитическим пиролизом углеродсодержащих соединений (рис. 3.2) [13, 14].



Рис. 3.2. Вероятная схема образования графитовых нановолокон: 1 – частицы катализатора; 2 – углеродная нано¬структура.

3.1. Лазерное испарение металл-графитовых электродов

Как показано в предыдущей главе, лазерным испарением графита были впервые получены фуллерены, а спустя несколько лет этот метод стали использовать для синтеза УНТ. Установка, созданная в лаборатории Р. Смолли (Университет Райс, США), состояла из кварцевой трубы диаметром 2,5 см и длиной 50 см, внутрь которой помещался графитовый стержень диаметром 1,25 см (рис. 3.3) [15-17]. Сначала трубу вакуумировали и нагревали до температур 1000-1200 оС, а затем продували аргоном под давлением 66,5 кПа со скоростью 0,2-2,0 см/с. Графит подвергали воздействию импульсного лазерного излучения (Nd-лазер, длина волны – 532 нм, частота – 10 Гц, мощность – 250 мДж, длительность – 10 нс, размер пятна – 3-6 мм). Состоящие в основном из многослойных нанотрубок (МНТ) продукты испарения уносились потоком газа и собирались на холодных стенках трубы и водоохлаждаемом медном сборнике. Производительность такого типа установки была очень маленькой - около 80 мг МНТ в сутки. Одной из причин такой низкой производительности являлось зарастание трубы паутинообразным осадком, что заставляло останавливать процесс синтеза.



Рис. 3.3. Схема лазерной установки: 1 – печь; 2 – лазер; 3 – графитовая мишень; 4 – водоохлаждаемый сборник.

В дальнейшем установка была усовершенствована [18]. Путем увеличения диаметра кварцевой трубки до 5 см удалось добиться производительности 1 г в сутки. Содержание МНТ в продукте лазерного испарения графита составляло 60-90 %. Использованием вместо одного двух импульсных лазеров (длины волн 532 и 1064 нм), излучающих попеременно с интервалом 42 нс, и увеличением мощности импульсов до 490 и 550 мДж удалось предотвратить зарастание трубы, что позволило существенно повысить производительность синтеза МНТ. Увеличивая диаметр трубы до 10 см и периодически меняя облучаемую сторону мишени, удалось добиться суточной производительности до 10 г материала, содержащего 40-50 % нанотрубок.
На выход УНТ при лазерном синтезе существенное влияние оказывают градиент температуры вблизи испаряемого участка, давление и скорость потока инертного газа, температура печи, мощность лазерного излучения, диаметр светового пятна, диаметр реактора и другие факторы.
Для синтеза одностенных нанотрубок (ОНТ) графит испаряют в присутствии металлического катализатора. Например, в [10-13] при введении в графит по 0,6 % Со и Ni или 0,6 % Co и 0,2 % Pt получали ОНТ в виде сростков из сотен индивидуальных нанотрубок. Количество ОНТ в образующемся продукте превышало 70 % (мас.).
В качестве катализаторов применяли различные металлы. Сообщается, что высокий выход ОНТ достигается при использовании смесей Ni и Pt [15], Rh и Pd [19], Cu и Ni [15]. При лазерном синтезе образуются ОНТ диаметром 0,8-2,0 нм, но чаще всего - 1,0-1,5 нм [15-19]. В процессе синтеза они обычно собираются вместе по несколько десятков штук, образуя так называемые "канаты" диаметром 10-50 нм. Иногда 10-40 "канатов" образуют "сростки" [15-19]. Диаметр образующихся ОНТ зависит от многих факторов - катализатора, состава и давления газа, температуры предварительного нагрева, условий охлаждения и конструкции установки. Например, в [20] отмечено, что увеличение температуры печи с 780 до 1050 C приводит к росту диаметра ОНТ с 0,8 до 1,5 нм.
Предложены разные модели образования ОНТ при лазерном синтезе. По наиболее вероятной из них полагается, что каталитически активные частицы (например, атомы металлов) адсорбируются на открытых концах изогнутых графеновых фрагментов и "обегают" их, способствуя дальнейшему росту трубки (рис. 3.1) [17].
Для получения углеродных нанотрубок использовали и CO2-лазер [21]. Некоторые модификации лазерного синтеза изложены в [22-25]. Есть работы, в которых сообщается о синтезе лазерным методом нанотрубок из BN [26, 27] и сложных нанотрубок из SiC - центральный слой, SiO2 - промежуточный слой и внешней оболочки, состоящей из BN и C [28].

предыдущая страница                                              следующая страница




От авторов


Издание настоящей книги стало возможным благодаря реализации договора о творческом сотрудничестве между Институтом проблем материаловедения Национальной академии наук Украины и Институтом проблем химической физики Российской академии наук в рамках выполнения совместной программы “Фуллерены и атомные кластеры”.
За последние 10 лет наблюдается бурный рост потока информации в области знаний фуллереноподобных материалов, открытых в 1985 году. Задача, которую поставили авторы перед собой, состояла в том, чтобы обобщить эту информацию и в сжатой форме изложить основные представления о новом классе углеродных материалов. Из огромного информационного потока по фуллеренам, нанотрубкам и кластерам, а это десятки тысяч источников: книг, патентов, научных и популярных статей, был взят тот минимум, который позволил бы неискушенному читателю войти в мир углеродных наноструктур с его специфическими особенностями. Большой интерес среди ученых вызывает особенность строения фуллеренов, обусловленная их сферичностью. Завершенность элементарной структурной единицы, по сравнению с бесконечными кластерами атомов в карбине, графите и алмазе, обусловливает уникальную способность фуллеренов растворяться в растворителях. Это единственная растворимая форма углерода.
Фуллерены - интересный объект исследований во многих областях науки - физике, химии, геологии, биологии, медицине, материаловедении и других. Благодаря наличию у молекулы фуллерена большого количества атомов углерода открываются неограниченные возможности синтеза миллиардов новых соединений с новыми свойствами, а значит и новыми возможностями. Разработка и использование материалов, обладающих сложным комплексом физико-химических свойств, являются одной из основополагающих предпосылок создания техники XXI века. И фуллереноподобные материалы обладают всеми качествами, необходимыми для того, чтобы стать основой материалов будущих разработок. В настоящее время мы стоим только на стартовой черте изучения фуллереноподобных материалов и материалов, получаемых на их основе. Перспективы использования их безграничны.
Данные, представленные в четвертой главе этой книги, демонстрируют одну из блестящих возможностей использования этих материалов. Благодаря компактному и безопасному хранению водорода в фуллереноподобных материалах и материалах, полученных на их основе, становится экономически обоснованным и реальным переход человечества от эры использования запасавшейся миллионами лет солнечной энергии в виде ископаемых топлив к эре солнечно-водородного будущего: непосредственного преобразования солнечной энергии и применения водорода в качестве экологически чистого топлива и энергоносителя. Это будущее видится еще более оптимистичным, если учесть, что источником водорода является вода, которой достаточно на всех континентах и во всех странах. То есть снимается вопрос о странах, богатых топливом и бедных с энергетической точки зрения. Солнечной энергии хватит всем.
Надеемся, что эта книга станет для многих первой ступенькой в познании области науки о фуллеренах, пробудит интерес и желание узнать больше, шагнуть вперед и изучить неведомое.
Заранее приносим свои извинения за возможные опечатки. Мы с удовольствием и благодарностью примем все критические замечания и комментарии. Авторы благодарят В.Б. Черногоренко, А.П. Помыткина, Н.Ф. Гольдшлегер и А.П. Моравского за помощь в написании некоторых глав, а также благодарят О.И. Билык, Д.М. Мильто, Е.А. Лысенко за помощь в наборе и редактировании текста и иллюстраций.