مقاله تولید نانو لوله های کربنی به روش تخلیه قوس الکتریکی در محیط مایع با استفاده از کاتالیزورهای نیکل ـ کبالت

بخشی از مقاله

چکیده

سنتز نانوساختارهاي کربنی در محیط هاي گاز بوسیله تخلیه قوس بررسی شده بود . در این مقاله تولید نانو لوله هاي کربنی و دیگر نانوساختارهاي کربنی را با استفاده از روش تخلیه قوس در محیط مایع با استفاده از کبالت و نیکل به عنوان کاتالیزور را گزارش کردیم . میکروسکوپ الکترنی روبشی جهت بررسی نانوساختارهاي کربنی به کار رفتند .

کلمات کلیدي : نانولوله هاي کربنی ، تخلیه الکتریکی ، میکروسکوپ الکترونی

مقدمه

نانو لوله هاي کربنی - CNTs - با دارا بودن خواص ویژه و کاربردهاي حیرت انگیز در بسیاري عرصه ها توجه بسیار زیاديرا به سوي خود جلب نموده اند . بر اساس نظریه ها و آزمایشات مختلف اثبات شده که آنها خواص مکانیکی  چشمگیري متصرف بوده و خصلت انتقال الکتریکی جذابی دارند . نانولوله هاي کربنی را می توان به عنوان سیم هاي کوانتومی یک بعدي ایده ال در نظر گرفت و بسته به قطر و چرخشی که دارند ، می توانند فلزي یا نیمر سانا باشند . [1] روشهاي معمول تولید نانو لوله هاي کربنی عبارتند از: تخلیه قوس الکتر یکی، تبخیر لیزري و رسوب گذاري بخار شیمیا یی . - CVD - روش تخلیه قوس الکتریکی در محیط گازي [2, 3] در ابتدا براي تولید فولرین بکار می رفت ، و شاید ساده ترین راه تولید نانولوله هاي کربنی است .این تکنیک نیازمند تصفیه و جداسازي نانولوله هاي کربنی از دوده و فلزات کاتالیزوري باقیمانده در محصول خام می باشد .

اخیرًا از روش تخلیه قوس الکتریکی در محیط مایع [4, 5, 6] نیز استفاده شده است. در این روش نیازي به محیط خلاء نیست و بسیار ساده تر و اقتصادي تر نسبت به روش مرسوم تخلیه در محیط گازي می باشد. محلول استفاده شده می تواند آب مقطر ، نیتروژن مایع، تولوئن و یا بنزن باشد، مزیت مهم این مایعات توانایی آنها در خنک کنندگی محیط و ایجاد شرایط مناسب جهت تولید نانولوله هاي کربنی است . اولین بار ایشیگامی - [4] - Ishigami سنتز نانولوله هاي کربنیچند دیواره را به وسیله تخلیه قوس در نیتروژن مایع گزارش کرد . هسین - - Hsin از تولید نانولوله هاي کربنی چند دیواره پر شده با فلز به وسیله در آب دي یونیزه خبر داد . علاوه بر این ذو - - Zhu نیز نانولوله هاي کربنی چند دیواره را در آب دي یونیزه یا محلول آبی NiSO4 و CoSO4 و FeSO4 تولید نمود .لانگ - Lange - نانولوله هاي کربنی چند دیواره و پیازهاي کربن را در آب دي یونیزه ایجاد نمود . آنتیساري [5] - Antisari - نیز تخلیه قوس در نیتروژن مایع و آب دي یونیزه را مقایسه نمود. در این تحقیق روش تخلیه قوس الکتریکی در محلول کلرید سدیم براي تولید نانو لوله هاي کربنی با جریان مستقیم DC بررسی می شود.

روش تجربی

در این بخش از مخلوطی از پودر گرافیت و کاتالیزورهاي کبالت و نیکل مورد استفاده قرار گرفت . ابتدا یک محلول 0/25مولار از کلرید سدیم را در 2 لیتر آب مقطر تهیه می کنیم . m  0.25 Litmol × 158.44molgr ×2 Lit=29. 22 gr سپس کاتالیزورها را با نسبت هاي وزنی مختلف بکار می بریم که در این حالت براي نسبت =1:1 - کبالت : نیکل و 49 : 1 =کاتالیزور :گرافیت - نتیجه خوبی بدست آمد . بر اساس این نسبت ، جرمهاي مورد نیاز از کاتالیزورهاي نیکل ، کبالت و پودرگرافیت عبارتند از : mco  0.01 gr mNi  0.01 gr m graphite   0.98 gr در این حالت نیز از یک الکترود با قطر 10 میلی متر و طول 10 سانتی متر به عنوان آند و یک الکترود با قطر 12 میلی متر و طول n 7 سانتی متر به عنوان کاتد استفاده شد.در وسط محور آند حفره اي تعبیه شده که داراي قطر 1میلی متر و عمق 2 سانتی متر میباشد .

این حفره بوسیله مخلوط

کاتالیزوري پر شد . سپس دستگاه تنظیم شده و قوسی به مدت 90 ثانیه بین دو الکترود شکل می گیرد . در این حالت نیز از حالت DC استفاده شد و گستره جریان و ولتاژي به ترتیب در حدود 30-60 آمپر و 20-30 ولت مناسب تشخیص داده شد . شکل 2 و 3  تصاویر میکروسکوپی نمونه هایی از نانولوله هاي تولید شده در این مخلوط کاتالیزوري را نشان می دهد. در تصاویر می توان ناخالصی هاي زیادي که در حین سنتز نانولوله وجود دارند را مشاهده نمود ساختارهایی که در اینجا تشکیل می شود عمدتاً از نانولوله هاي کربنی ، نانوفیبرهاي کربنی ، ذرات گرافیتی ، فولرین ها ، ذرات گرافیتی و . . . است . نمونه حاضر در اینجا به عنوان مرحله اول در سنتز نانولوله هاي کربنی نشان داده شده است . تصاویر میکروسکوپ الکترونی در مقایسه با تصاویر میکروسکوپ الکترونی مقاله هاي موجود در مجلات معتبر به عنوان نانولوله کربنی تشخیص داده شده است.

در سنتز نانولوله هاي کربنی کاتالیزورهاي قرار گرفته درون سوراخ به طور کامل مصرف نمی شوند و بخشی از آنها به عنوان کاتالیزور در واکنش شرکت کرده و درون ماده حاصله قرار می گیرند در آزمایشات انجام شده به منظور قرار دادن کاتالیزورها درون حفره ، آنها را با پودر گرافیتی با نسبت وزنی مشخص مخلوطکرده و آنگاه مخلوط حاصله را درون حفره تعبیه شده درون آند قرار می دهند . در بخش بعدي نیز از مخلوطی از پودر گرافیت و کاتالیزورهاي کبالت و نیکل مورد استفاده قرار گرفت . ابتدا یک محلول 0/25 مولار از کلرور سدیم را در 2 لیتر آب مقطر تهیه می کنیم . m  0.25 Litmol × 158.44molgr ×2 Lit=29.22 gr سپس کاتالیزورها را با نسبت هاي وزنی مختلف بکار می بریم که در این حالت براي نسبت =1:3 - کبالت : نیکل و 5/5 : 4 =کاتالیزور :گرافیت - نتیجه خوبی بدست می آید . بر اساس این

نانولوله هاي کربنی

نسبت ، جرمهاي مورد نیاز از کاتالیزورهاي نیکل ، کبالت و پودرگرافیت عبارتند از : در این حالت نیز از یک الکترود با قطر 10 میلی متر و طول 10 سانتی متر به عنوان آند و یک الکترود با قطر 12 میلی متر و طول 7 سانتی متر به عنوان کاتد استفاده شد.در وسط محور آند حفره اي تعبیه شده که داراي قطر 1میلی متر و عمق 2 سانتی متر می باشد . این حفره بوسیله مخلوط کاتالیزوري پر شد . سپس دستگاه تنظیم شده و قوسی به مدت 60 ثانیه بین دو الکترود شکل می گیرد . در این حالت نیز از جریان DC استفاده می شود و گستره جریان و ولتاژي به ترتیب در حدود 30-60 آمپر و 20-30 ولت مناسب تشخیص داده شد . شکل هاي 3 و 4 تصویر SEM نانولوله هاي تولید شده در این مخلوط کاتالیزوري را نشان می دهند .