Наноструктуры, способы их получения

Министерство образования и  науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ)

Факультет «Химический»

Кафедра «Экология и природопользование» 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контроль во время занятий  физической культурой

Реферат

по дисциплине  «Физическое воспитание»

 

 

 

 

  

Проверил, к.п.н., доцент, Громов Виктор Александрович

                                                                 ____________ 2013 г.

 

Автор работы студент группы хим – 316 

Кабатаева Елена Александровна

                                                                                          ________________ 2013 г.

 

Реферат защищен с оценкой

____________________

                                                                                                 ________________ 2013 г.

 

 

 

 

 

 

Челябинск 2013

 

 

Оглавление

 

Введение...................................................................... 3

Способы получения  углеродных нанотрубок (УНТ)........................ 4

1. Дуговой  способ 4

2. Лазерное испарение графита 10  

3. Синтез углеродных наноматериалов (УНМ)

 из  углеродосодержащих газов 12

Заключение 21

Список литературы 22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Основной  тенденцией в развитии современной  техники является использование  функциональных объектов малых размеров. Примером может служить электронная  техника, в которой микроминиатюризация  приборов уже сейчас требует применения элементов, размеры которых составляют несколько микрон. Уникальность свойств  таких объектов (наноструктур) во многом определяется атомными и электронными процессами, протекающими как в объеме, так и на их границах и имеющими уже квантовый характер. Понять и научиться управлять этими процессами не всегда удается в рамках традиционных представлений физики и химии, развитых для достаточно протяженных объектов. Проблема осложняется еще и тем, что наноструктуры из-за очень малых размеров являются достаточно неравновесными системами, однако протекающие в них процессы часто анализируют на основе традиционных подходов, свойственных равновесным объектам. В связи с этим в настоящее время происходят как интенсивное развитие теории явлений в малых объектах, так называемых низкоразмерных системах, так и разработка новых методов их получения.

В этой работе рассматривается три способа  получения наноструктур:

• дуговой способ
• способ лазерного испарение графита
• Синтез углеродных наноматериалов (УНМ) из углеродосодержащих газов

 

 

 

 

 

 

 

1. Способы получения углеродных  нанотрубок (УНТ)

 

1.1 Дуговой способ

 

Наиболее  широко распространен метод получения  углеродных нанотрубок (УНТ), использующий термическое распыление графитового электрода в плазме дугового разряда, горящего в атмосфере гелия (He). Метод, использованный в 1991 г. японским ученым С. Иджимой, отличался от метода получения фуллеренов тем, что электроды не входили в соприкосновение между собой, а находились на некотором расстоянии друг от друга во время горения дуги. В этих условиях испаряющийся с анода углерод конденсируется на катоде в виде осадка преимущественно цилиндрической формы [1].

 

 

Рис. 1. Схема распыления графита в плазме электрической дуги

(два графитовых  электрода используются для создания  электрического

дугового  разряда в инертной газовой атмосфере)

 

Были получены углеродные нанотрубки в форме острых иголок диаметром от 4 до 30 нм и длиной 1 мкм на отрицательном конце углеродного электрода при постоянном токе дугового разряда. Графитовые электроды располагались в объеме, заполненном аргоновой средой (Р = 100 торр) (рис. 1).

Изучение  структуры иголочек с помощью  просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) показало, что каждая иголочка состоит из коаксиальных трубочек, вложенных друг в друга, которые, в свою очередь, состоят из гексагональных сеток графита, в узлах которых расположены атомы углерода. Таких трубочек может быть от 2 до 50. Каждая однослойная

трубочка  получена путем вырезания ленты  из графитового листа в любом  направлении и сворачивания этой ленты таким образом, чтобы получилась так называемая "бесшовная" трубочка, т.е. навитый вокруг оси геликоид. Угол навивки может меняться от трубки к трубке, а также внутри одной трубочки. Вершины углеродных нанотрубок закрыты колпачками-шляпочками, состоящими из шестиугольников и пятиугольников, как это имеет место в структуре молекулы фуллерена С60.

Изучение  морфологии роста УНТ, синтезированных  в электрической дуге, с помощью  ПЭМ показало, что имеется много вариаций по формированию нанотрубки, особенно около ее вершины. Сконструированные топологические модели показали, что пятиугольники и шестиугольники играют ключевую роль [2].

Почти одновременно в 1993 г. были синтезированы ОУНТ, при  этом в процесс получения введены  новые элементы. Камера, где генерировалась электрическая дуга, наполнялась смесью метана при давлении 10 торр и аргона при давлении 40 торр. В центре камеры электроды располагались вертикально. Нижний электрод (анод) имел узкую и глубокую полость, в которую закладывалась узкая полоска железа. Ток дуги составлял 200 А, а

напряжение  между графитовыми электродами 20 В. Критичными для получения ОУНТ являлись три компонента: аргон, железо и метан. Полученные образцы представляли собой ОУНТ в виде тройников, собранных в связки. Диаметр нанотрубок менялся от 0,7 до 1,65 нм. Электрическая дуга генерировалась между графитовыми электродами при наличии в реакторе гелиевой атмосферы и давлении 500 торр. Анод имел отверстие, которое заполнялось смесью металлического катализатора (Ni/Co, Co/Y или Ni/Y) и графитового порошка. Параметры электрической дуги: ток 100 А и напряжение 30 В. Полученный материал содержал до 80 % спутанных углеродных наносвязок диаметром от 5 до 20 нм, состоящих в свою очередь из ОУНТ диаметром от 1,4 до 1,7 нм. Каждая связка содержала до нескольких десятков ОУНТ. Таким образом, методом распыления графитового анода с катализатором в электрической дуге можно получить ОУНТ в виде связок, не слишком пригодных для практического использования, однако принесших определенную пользу для изучения одномерных углеродных наноструктур [1].

Модифицирование метода, заключавшееся в нахождении оптимальных параметров: давления He, величины тока дуги, напряжения и зазора между электродами – позволило увеличить выход нанотрубок. Установка подключается к вакуумной линии с диффузионным насосом и к источнику газообразного Не. Непрерывный поток He при постоянном давлении

является  более предпочтительным, чем статическая  газовая атмосфера.

На рис. 1.12 представлена схема установки для  получения УНМ, использующая дуговой способ их синтеза в его классической интерпретации.

В дуговом  разряде между анодом и катодом  при напряжении 20…25 В, стабилизированном постоянном токе дуги 50…100 А, межэлектродном расстоянии 0,5…2 мм и давлении Не 100…500 торр происходит интенсивное распыление материала анода. Часть продуктов распыления, содержащая графит, сажу и фуллерены осаждается на охлаждаемых стенках камеры, часть, содержащая графит и многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ), осаждается на поверхности катода.

На выход  нанотрубок влияет множество факторов. Наиболее важным является давление Не в реакционной камере, которое в оптимальных, с точки зрения производства УНТ, условиях составляет 500 торр. Другим не менее важным фактором является ток дуги. Максимальный выход УНТ наблюдается при минимально возможном токе дуги. Эффективное охлаждение стенок камеры и электродов также важно для избежания растрескивания анода и его равномерного испарения, что влияет на содержание УНТ в катодном депозите (на рис. 2. стрелками показано направление движения охлаждающей жидкости). При использовании цилиндрических электродов диаметром 12,5 мм напряжение дуги составляло 17…20 В, ток изменялся в диапазоне 110…130 А. При этом 90 % массы    

анода осаждалось на катоде [4].

 

.

Рис. 2. Схема установки для получения углеродных нанотрубок

1 – графитовый  анод; 2 – осадок, содержащий УНТ; 3 – графитовый катод;

4 – устройство  для автоматического поддержания  межэлектродного расстояния на  заданном уровне; 5 – стенки камеры

 

Использование автоматического устройства поддержания  межэлектродного расстояния на фиксированном  уровне способствует увеличению стабильности параметров дугового разряда и обогащению нанотрубками материала катодного депозита. Добавление в зону реакции атомов металлов 3d-группы существенным образом меняет морфологию продуктов конденсации и увеличивает производительность [2].

В работе использовалась стандартная электродуговая установка, в которой дуга горела при давлении Не 660 торр.

Катод представлял  собой графитовый стержень длиной 40 мм и диаметром 16 мм, а анод – графитовый стержень длиной 100 мм и диаметром 6 мм с высверленным отверстием глубиной 40 мм и диаметром 3,2 мм, заполненным смесью металлического катализатора и графитового порошка. Падение напряжения между электродами составляло 30 В при токе дуги 100 А и зазором между электродами 3 мм. В качестве катализатора использовались смеси: Ni/Co, Co/Y или Ni/Y с различным процентным содержанием атомов металла по отношению к углероду. Найдено оптимальное соотношение

концентрации  металлов (1 % Y и 4 % Ni), при котором осаждение углеродных продуктов конденсации наблюдалось в виде:

1) сажи на  стенках реакционной камеры;

2) паутины  между катодом и стенками реакционной  камеры;

3) депозита  на катоде;

4) пористого  ободка вокруг катода.

Во всех продуктах  конденсации были обнаружены протяженные  структуры, концентрация которых зависела от места осаждения.

Исследования  показали, что сажа из зон 1, 2 и 4 содержала  ОНТ, частицы катализатора, окруженные аморфным углеродом или графеновыми слоями, сажевые частицы различной степени структуризации. ОНТ были организованы в пучки с диаметром от 5 до 20 нм. Межосевое расстояние в пучке для ОНТ диаметром 1,4 нм составило 1,7 нм. Распределение диаметров НТ, относительная концентрация и структура нанотрубного материала определялись типом используемогокатализатора, а также параметрами дугового разряда. Было установлено, что использование металлов 3d-группы (Co, Ni, Fe) способствует получению ОНТ с разбросом диаметров от 0,7 до 2,0 нм, с максимумами 0,84; 1,05 и 1,4 нм.

Наиболее  высокая эффективность получения  ОНТ достигается при использовании  смешанных катализаторов, в состав которых входят два или три металла 3d-группы. Кроме этого, эффективной для получения ОНТ оказалась и группа платины.

В работе при  разряде постоянного тока 70 А  в гелиевой атмосфере, давлении 100…600 торр, с композитным анодом, заполненным смесью металлического (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt) и графитового порошков в массовом соотношении 5 : 1,

продукты  термического распыления осаждались на стенках камеры, боковой и торцевой поверхностях катода [5].

Межэлектродное  расстояние поддерживалось на уровне 1…2 мм, а напряжение – 25 В.

Материал  катодного осадка, по данным просвечивающей электронной микроскопии, содержал заполненные металлом многослойные полиэдрические наночастицы от 20 до 200 нм. Сажа, собранная со стенок разрядной камеры и боковой поверхности катода, содержала сферические частицы металлического катализатора размером 5…30 нм, окруженные

аморфным  углеродом. Образование ОНТ диаметром 1,3…1,7 нм, длиной 10…200 нм наблюдалось при использовании в качестве катализатора Rh, Pd и Pt. В случае Rh наблюдались каталитические частицы с растущими на них ОНТ, образующими структуру, похожую на "морского ежа". Материал, собранный с боковой поверхности катода, оказался более богатым ОНТ, чем материал со стенок разрядной камеры. Вдобавок к перечисленному выше, рост ОНТ наблюдался на катализаторах Ce, Gd, La, Mn, Sc, V, Zr и не наблюдался на Co/Ru, Ni/B, Cu, Ti.

Отличительной особенностью рассматриваемого способа  синтеза УНМ является то, что именно с его помощью получают наиболее качественные ОУНМ длиной до нескольких микрометров с близкими морфологическими показателями и малым диаметром (1…5 нм).

Вместе с  тем следует отметить, что достижение такого высокого качества сопряжено  с большими технологическими трудностями, связанными в первую очередь с необходимостью осуществления многостадийной очистки продукта от сажевых включений и других примесей. Выход ОУНТ не превышает 20…40 % [6].

На стабильность протекания технологического процесса, а, следовательно, и качество УНТ  влияет множество факторов. Это – напряжение, сила и плотность тока, температура плазмы, общее давление в системе, свойства и скорость подачи инертного газа, размеры реакционной камеры, длительность синтеза, наличие и геометрия охлаждающих устройств, природа и чистота материала электродов, соотношение их геометрических размеров, а также ряд параметров, которым трудно дать количественную оценку, например скорость охлаждения углеродных паров, и др.

Такое громадное  количество управляющих параметров значительно усложняет регулирование  процесса, аппаратурное оформление установок синтеза и ставит препятствие для их воспроизводства в масштабах промышленного применения.