بخشی از مقاله
چکیده
نانو پودر کربنی - نانو کربن کروی - به دلیل ساختار آن دارای علاقه مندان زیادی میباشد. در این برسی روی سنتز کربن به روش تخلیه قوس الکتریکی تمرکز شده است. پودر کربن از تخلیه قوس الکتریکی بین دو میله گرافیت خالص که در یک زاویه قرار گرفته اند بدست می آید. این روش به مراتب ارزانتر از روش رسوب گذاری بخارشیمیایی و تبخیر لیزری میباشد. این سنتز را میتوان در محیط آب خالص، آمونیاک مایع، مایع هلیم، اتانول، متانول و با استفاده از کاتالیسیت های اکسید فلزی و پیش سازه های آن، نیکل، کبالت، انجام داد. محصول تولید شده شامل نانو لوله های کربنی، نانو پودر کربنی و نانو صفحات کربنی می باشد. نانو لوله های کربنی دارای مشخصه هایی چون سختی بالا، استحکام بالا، چگالی کم و اندازه کوچک، خواص الکتریکی بسیار عالی و همچنین ویژگی های مغناطیسی متغیر میباشد. این نانو لوله ها در صنایع هوا و فضا، بیوتکنولوژی، پزشکی و الکترونیک کاربرد دارند. در این مقاله در رابطه با تولید نانو پودر کربن کروی بحث شده است.
واژگان کلیدی: نانو کربن کروی، سنتز کربن، تخلیه قوس الکتریکی
مقدمه
گرافیت والماس قبلا به عنوان تنها شکل کربن شناخته شده بودند .[ Choi et al, 2004 ] کشف نانو لوله های کربن ایجیمار در سال1991 هیجان زیادی را ایجاد کرد [Pottuz et al, 2008 ] .نانو لوله های کربنی - CNTs - بطور معمول شامل ورق های گرافیت تک میباشد که به دور یک سیلندر - لوله - بدون درز پیچیده شده polizu et al, ] .[2009 از زمان کشف گرافن ایستاده در سال [Nan Li et al, 2010] 2004 یکی از داغترین مباحث در فیزیک کاربردی،شیمی و ریاضی کاربردی مورد توجه قرار گرفته است .[ Nan Li et al, 2010]یکی از جنبه های کلی، روش ها برای ارائه آزمایشگاه و یک روش اصلاح نانو لوله های کربنی میباشد. یکی از روشهای اتصال نانو لوله های کربنی به بستر شامل افشای نانو لوله های کربنی به صورت بخار یک ماده ورسوب روی بستر است.
درجایی که برای اولین بار از این ماده رادیکال از یک خانواده از جدول تناوبی با داشتن شکل کروی احتمال توزیع ظرفیت مدار انتخاب شده است .[Santiago et al, 2009]در یکی دیگر از جنبه های یک آزمایشگاه نانو میتوان برای برسی ادغام نانو در سیستم میکرو استفاده شود .[Santiago et al, 2009]در طول چندسال گذشته، باتوجه به تحقیقات فشرده و نوشته شده بسیار، گرافن زیادی به دلیل خاصیت الکتریکی، حرارتی، مکانیکی ونوری و دیگر ویژگی های آن تولید شده [Nan Li et al, 2010] با درک خواص فیزیکی آنها استفاده از آنها در زمینه های نانو الکتریک،حسگرها، کائوچو و مواد مرکب، باتری ها، ابر خازن ها و ذخیره سازی هیدروژن در حال افزایش است.[Nan Li et al, 2010]
روش تحقیق
آب دوبار یونیزه شده مورد استفاده به مدت 15 تا 30 دقیقه جوشانده شده و سپس تا دمای محیط 27 - درجه سانتی گراد - سرد شد و داخل محفظه شیشه ای ریخته شد. پایه های مسی که با گیره مهار کننده مهار شده از یک طرف به الکترود و از طرفی دیگر به منبع تغذیه وصل شده است. ولتاژهای مورد استفاده به شرح 15، 16، 17 و 18 ولت بوده است. قطر آند 6 میلی متر و طول آن 5 سانتی متر، قطر کاتد 12 میلی متر و طول آن 6 میلی متر استفاده شده است. با نزدیک کردن آند به کاتد، همانند فرآیند جوشکاری، ایجاد قوس پایدار که این موضوع متوط به ثابت ماندن فاصله آند و کاتد، همانند فرآیند جوشکاری بوده است. سپس فرآیند تخلیه قوس الکتریکی، سنتز نانو کربن با ابعاد و مورفولوژی مختلف شروع شده است.
برای اینکه این فرآینده به تولید انبوه و در چرخه صنعت قرار بگیرد نیاز به طراحی دستگاهی اتوماتیک است.اما چگونگی عملکرد و خروجی این دستگاه، در ابتدا لازم بود ولتاژ ثابتی جهت بررسی قوس پایدار انتخاب شود. که پیشنهاد بر ولتاژ 17 و 18 است. با توجه به اختلاف پتانسیل و جریان عبوری که حین تخلیه قوس الکتریکی تغییر می کند برای داشتن قوس پایدار لازم است آمپر سنج دیجیتالی وجود داشته باشدضمناً. باید به سرعتی ثابت در حرکت الکترودها - آند به سمت کاتد - که فقط آند متحرک است، برسیم و آند مصرفی مشخص شود. همان طور که انتظار میرود باید در حین تخلیه قوس الکتریکی با فاصله میان الکترودها به طور دستی توسط ریزسنج که به آند از بالای مخزن استوانه ای وصل است، تنظیم شود و این تنها قسمت دستی است.
آند بطور مداوم مصرف میشود و باید حتما با سرعت یکنواخت این فرایند انجام شود چون با مورفولوژی و اندازه دانه در ارتباط است. این موضوع با ریزسنج قابل کنترل استضمناً. میتوان با کامپیوتر، نرم افزاری طراحی کرد که دستور به یک موتور بدهد تا آند بدون نیاز به اعمال دست به صورت کاملا اتوماتیک سنتز کند. با این روش میتوان روزانه تا حدود 100 تا 150 گرم نانو کربن کروی و نانو لوله کربنی تولید کرد . نانو پودر کربن، پس از تولید دارای مقادیر قابل توجهی ناخالصی از نوع کربنی و غیرکربنی هستند.
از ناخالصی های غیرکربنی می توان به ذرات فلزی که به عنوان کاتالیست مورد استفاده قرار گرفتنه اند و از ناخالصی های کربنی نیز می توان به دوده، کربن آمورف و دیگرساختارهای غیر کروی مانند، نانو کپسول ها، نانوپیازها و نانوشیپورها اشاره کرد.خالص سازی نانو ذرات کربن، جدا کردن این مواد زائد از آنهاست. وجود این ناخالصی ها در نانو ذرات کربن، یکی از عوامل جلوگیری از دسترسی به قابلیت های پیش بینی شده برای این مواد به شمار می رود. روش هایی که برای حذف این ناخالصی ها مورد استفاده فرار می گیرد، به طور کلی به دو دسته خشک و تر تقسیم می گردد.روش خشک شامل حذف ناخالصی ها با اکسیداسیون یا اکسیژن و روش تر شامل استفاده از اسیدهای مختلف برای از بین بردن ناخالصی ها می باشد.
یافته ها
برای نتایج بدست آمده از سنتز ابتدا شرایط محیطی و ولتاژی متغیر داده شده است:
دراین روش از ولتاژهای 15، 16، 17 و 18 ولت استفاده شده است لازم به ذکر است که جریان ثابت بوده است. محیط انجام آزمایش با آب دوبار یونیزه شده، جوشانده و سرد شده در دمای محیط است.محصول تولید شده در آب دو بار یونیزه شده و در ولتاژ به صورت شکل 1 می باشد. در شکل 1 نانو کربن کروی که در آب دوبار یونیزه شده تولید شده است را مشاهده میکنید که از خلوص حدود 94 درصد تولید شده است.آنالیز گرفته شده از نمونه در ولتاژ IDFix 18 به شرح جدول 1 گزارش شده است. همانطور که در شکل 5 مشاهده می شود، درصد خلوص نمونه 93,17 گزارش شده است.
حال نتایج SEM گرفته شده از نمونه بررسی می شود. با توجه به اشکال 2، 3 از نظر مورفولوژی نمونه تولید شده در آب دوبار یونیزه شده و ولتاژ 18 مشابه به کربن C60 است و از نوع همین کربن محسوب می شوند که جزء کربن های سنتز شده سری جدید، فولرین ها محسوب می شود.لذا در دو دهه گذشته با توجه به تحقیقات انجام شده روش تولید این دسته از کربن ها بسیار سخت و مشکل بوده است.
