بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق نانو لولههای کربنی به روش نشست بخار شیمیایی متان در بستر ثابت با کاتالیست Fe/MgO 5wt% سنتز و به عنوان حسگر گاز اتانول استفاده شده است. به این منظور از الکترودهای پلاتین بر نمونه استفاده میشود. برای تعیین مشخصات نانو لولههای کربنی سنتز شده از تصاویر SEM و طیف رامان استفاده میشود. حسگر تا دمای 325oC حساسیت قابل مشاهدهای به اتانول نشان نمیدهد و از این دما به بعد حساسیت به شدت افزایش مییابد. اما پس از عملیات حرارتی تحت هوا تا 375 oC، حساسیت حسگر در همه دماها افزایش پیدا میکند. حسگر بعد از عملیات حرارتی حتی در دمای محیط نیز به 1000 ppm اتانول حساسیت نشان میدهد.
واژههای کلیدی: نانو لوله کربنی، حسگر، اتانول، نشاندن بخار شیمیایی
- 1 مقدمه
نانو لولههای کربنی گونه جدیدی از مواد کربنی هستند که خواص ویژه و منحصر به فرد آنها از جمله استحکام و مقاومت کششی فوق العاده، هدایت زیاد، مدول یانگ بالا و ... باعث شده که در دهه گذشته تحقیقات وسیعی در این زمینه انجام شود. کاربردهای بسیار متعددی برای این محصول کربنی بررسی شده است، از جمله این کاربردهای مهم استفاده از نانو لولههای کربنی در حسگرهای گاز میباشد. نانو لولههای کربنی به علت دارا بودن سطح زیاد و متخلخل، سایز نانومتری، ساختار توخالی و بیاثر بودن از نظر شیمیایی در جذب گازها بسیار فعال هستند .[1] حسگرهای گاز بر مبنای نانو لولههای کربنی در مقایسه با سایر حسگرهای گاز دارای حساسیت بیشتر، پاسخ سریعتر و دمای عملیاتی پایینتری میباشند .[2]
خواص الکتریکی نانو لولههای کربنی به قطر و زاویه چرخش آنها بستگی دارد و یک تغییر کوچک در این دو پارامتر باعث تغییر حالت، از فلزی به نیمه هادی و یا برعکس میشود .[3] وقتی حسگر در معرض گاز قرار میگیرد، گاز روی سطح حسگر جذب شده و موجب تغییر در هدایت الکتریکی آن میشود که از این تغییرات در حسگرهای گاز استفاده میشود.تغییر رسانایی نانو لولههای کربنی در معرض گازها توسط مکانیزم انتقال الکترون مولکول جذب شده و نانو لولهها به این صورت توجیه میشود که نانو لولههای کربنی نیمه هادیهای از نوع p-type هستند، پس در حضور گازهای اکسید کننده که خاصیت اسید لوییس دارند - مانند - NO2، مقاومتشان کاهش مییابد.
چون این گازها از نانو لولهها الکترون دریافت میکنند و باعث افزایش تعداد حفرههای باردار موجود در ساختار نانو لولههای کربنی و افزایش رسانایی و یا بعبارت دیگر کاهش مقاومت آنها میشوند. همچنین نانو لولهها در حضور گازهای با خاصیت باز لوییس - مانند اتانول و - NH3 که قابلیت الکتروندهی دارند، الکترون دریافت میکنند و تعداد حفرههای باردار و لذا رسانایی آنها کاهش مییابد .[4]
نانو لولههای کربنی تک دیواره و چند دیواره توانستهاند به طور موفقیت آمیزی در آشکارسازی گازهای [2] NH3، [1] NO2، H2 [5]، [6] CH4، [7] CO2 و [7] O2 و ... بکار رفتهاند . حسگرهای شیمیایی که از نانو لولهها ساخته شدهاند حداقل در آزمایشگاه، حساسیت زیادی در دمای محیط از خود نشان دادهاند .[8]
روشهای مختلفی برای تولید نانو لولههای کربنی وجود دارد که از آن میان روش نشاندن بخار شیمیایی یکی از مرسومترین روشها است و به عقیده بسیاری از دانشمندان تنها این روش قابلیت تولید نانو لولهها در مقیاس بزرگ و ارزان را دارا میباشد. در این روشولاًا مواد اولیه ارزان و در دسترس است،ثانیاً فرآیند آن آسان است .[9] در این روش، نانو لولههای کربنی روی یک کاتالیست حاوی نانو ذرات یکی از فلزات آهن، نیکل و یا کبالت در دمای بالا در معرض یک منبع کربنی همچون متان، استیلن، زایلن و ... رشد میکنند. مکانیزم CVD شامل جدا کردن مولکولهای هیدروکربن بوسیله فلز کاتالیزوری و حل شدن و به اشباع رسیدن مولکولهای کربن در ذره کاتالیزوری میباشد .[10]در این تحقیق نانو لولههای کربنی سنتز شده به روش نشست بخار شیمیایی متان در بستر ثابت با کاتالیست 5wt% Fe/MgO به عنوان حسگر گاز اتانول استفاده میشود. حسگر اتانول کاربردهای مختلفی مانند صنایع غذایی، فرایندهای دارویی و ... دارد.
-2 فعالیتهای آزمایشگاهی
-1-2 سنتز نانو لولههای کربنی
کاتالیست 5wt% Fe/MgO توسط تلقیح نیترات آهن بر پایه MgO به روش سیترات ساخته میشود. Mg - NO3 - 2.9H2O با اسید سیتریک در آب دییونیزه حل شده و پس از تبخیر آب اضافه، نمونه در دمای 150oC خشک و سپس در 550oC کلسینه میشود. محلول Fe - NO3 - 3.9H2O بر MgO تلقیح میگردد و سپس در دمای 120oC خشک و سپس در 550oC کلسینه میگردد.برای سنتز کاتالیستی نانو لولههای کربنی به روش نشست بخار شیمیایی متان سامانهای به شرح زیر استفاده شده است. این سامانه شامل راکتور از جنس کوارتز، کوره الکتریکی، کنترل کنندههای دبی جرمی، کنترل کننده دمایی و کپسولهای گاز میباشد. دمای کوره به وسیله یک ترموکوپل که متصل به یک کنترل کننده دماست، تنظیم میگردد. راکتور مورد استفاده دارای قطر داخلی mm 9 و قطر خارجی 11 mm میباشد. راکتور درون کوره قرار میگیرد. دمای کوره بوسیله یک کنترل کننده دما تنظیم میشود.
ترموکوپل درون کوره و در مجاورت بستر کاتالیست در راکتور قرار میگیرد. دبی گازهای ورودی از طریق کنترل کنندههای دبی جرمی کنترل میشود. برای تنظیم دبی گاز ورودی به سیستم، همه کنترل کنندههای دبی جرمی را برای گاز خاصی کالیبره میکنیم تا دبی مطلوب را از خود عبور دهند.ابتدا راکتور درون کوره قرار گرفته و تحت جریان گاز هلیم تا 1000 oC گرم میشود. سپس جریان گاز هلیم قطع و جریان متان با دبی 60 cc/min وارد راکتور میگردد و واکنش آغاز میشود. پس از گذشت 15 دقیقه از شروع واکنش، جریان گاز متان قطع شده و کوره الکتریکی خاموش میشود تا محصول به آرامی تحت جریان هلیم تا رسیدن به دمای محیط خنک شود. در نهایت محصول را از داخل راکتور خارج کرده و آنالیزهای لازم روی آن انجام میگیرد. با این روش نانو لولههای کربنی به روش نشست بخار شیمیایی متان در بستر ثابت با کاتالیست 5wt% Fe/MgO سنتز میگردد.
-2-2 سامانه انجام آزمایشهای حسگری
این سامانه شامل راکتور شیشهای، سیستم گرم کننده - شامل مخلوطی از نمکهای مذاب و ترموکوپل - ، سیستم پردازش دادهها - شامل انواع مقاومتهای مرجع، منبع تغذیه، کامپیوتر و تبدیلکننده - A/D، سیمهای رابط، کپسولهای گاز و کنترل کنندههای دبی جرمی گاز میباشد.راکتور شیشهای از دو قسمت تشکیل شده است: بخش ورودی گاز که لولهای با قطر 0/5 cm میباشد و بخش دوم لولهای به قطر 2/5 cm است که حسگر در آن جای دارد و گازها از روی حسگر عبور کرده و از قسمت خروجی خارج میشوند.برای گرمادهی راکتور از یک ظرف استیل که محتوی نمک مذاب - شامل %53 نمک نیترات پتاسیم، %40 نمک نیتریت سدیم و %7 نمک نیترات سدیم - میباشد، استفاده شده است.
مخلوط نمکهای فوق در دمای حدود 200 C ذوب میشوند. دمای این حمام مذاب با استفاده از یک حلقه سیستم کنترل دما شامل مقاومت الکتریکی، ترموکوپل، دستگاه کنترل دما و منبع تغذیه تنظیم میگردد.قسمت تحتانی راکتور شیشهای با پودر کوارتز - مش - 50-100 به ارتفاع حدود 3 cm پر شده است تا جریان گازی که از روی آن عبور میکند به دمای حمام مذاب برسد. حسگر در داخل راکتور شیشهای و در قسمت بالای پودر کوارتز جاگذاری میشود و بعد از اینکه گازهای مورد آزمایش روی حسگر اثر گذاشتند، تغییرات مقاومت حسگر از طریق سیمهای رابط به مدار الکترونیکی منتقل و توسط کامپیوتر با استفاده از تبدیل کننده A/D و نرم افزار نصب شده، تغییرات ولتاژ خروجی برحسب زمان نمایش داده میشود.
با داشتن ولتاژ میتوان مقاومت حسگر در آن لحظه را محاسبه کرد.زمانیکه هیچ گازی در سیستم جریان نداشته باشد ولتاژ خوانده شده مربوط به مقاومت حسگر در هوا میباشد - Rair - و زمانی که یک گاز در سیستم جریان داشته باشد ولتاژ خوانده شده مربوط به مقاومت حسگر در آن گاز میباشد - Rgas - و حساسیت حسگر نسبت به آن گاز را میتوان بصورت رابطه - 1 - تعریف میشود.کپسولهای 1000 ppm اتانول ساخته شده و دبی ورودی آن به داخل راکتور شیشهای از طریق کنترلکننده دبی جرمی تنظیم میشود. قبل از شروع آزمایش کنترلکننده دبی جرمی برای گاز مورد نظر کالیبره میشود تا بتوان دبی مورد نظر را از آن عبور داد.
