بخشی از مقاله
چکیده
دستیابی به ترکیبی مناسب از پایه و کاتالیست به منظور استفاده در سنتز نانولوله های کربنی - CNTs - در مقیاس وکیفیت بالا، یک زمینه تحقیقاتی فعال می باشد. در همین راستا، آزمایشات انجام شده با اکسید های فلزی به عنوان پایه برای کاتالیست های دو فلزی کبالت و آهن نتایج قابل قبولی را ارائه کرد و اثبات شد که با استفاده از این ماده به عنوان پایه، فعالیت کاتالیست به طور چشمگیری افزایش می یابد.
در این تحقیق کاتالیست دوگانه Fe-Co بر چهار بستر اکسیدفلزی مختلف یعنی اکسید منیزیم، اکسید کلسیم، اکسید روی و دی اکسید تیتانیوم به روش تلقیح مرطوب نشانده شده و تاثیر استفاده از آنها برای رشد نانولوله های کربنی مورد مقایسه قرار گرفت. نانولوله های کربنی در دمای 800œC با تجزیه حرارتی گاز استیلن به روش نشست بخار شیمیایی حرارتی بر پایه های کاتالیستی مذکور رشد یافتند . از میکروسکوپ الکترونی روبشی، نقشه اشعه ایکس توزیع ذرات و طیف سنجی تفکیک انرژی پرتو ایکس، پراش پرتو ایکس، طیف سنجی رامان و آنالیز گرماوزنی - TGA - برای بررسی نانومواد ساخته شده استفاده گردید. مزیت استفاده از اکسید های فلزی حذف راحت آن در مرحله خالص سازی است.
کلمات کلیدی: نانولوله های کربنی، روش نشست بخار شیمیایی حرارتی، نانوذرات کاتالیستی، بسترهای اکسید فلزی
مقدمه
پس از کشف نانو لوله های کربنی در سال 1991 توسط ایجیما این نانو ساختارها توجه زیادی را در علوم مختلف به خود جلب کرده اند. نانولوله های کربنی به دلیل ساختار یک بعدی شگفت انگیزی که دارند دارای خواص منحصر به فرد الکترونی، شیمیایی و مکانیکی هستند که باعث شده کاربردهای فراوانی در زمینه های مختلف صنعت و پزشکی داشته باشند1]و.[2 نانو لوله های کربنی به سه روش کلی تخلیه قوس الکتریکی ، سایش لیزری و رسوب بخار شیمیایی سنتز می گردند.
در میان روش های مختلف سنتز نانولوله های کربنی، CVDبهترین و مناسب ترین روش خصوصاً برای کاربردهای صنعتی در مقیاس بالا می باشد که علت آن، سهولت نسبی این روش در مراحل تهیه و خالص سازی و هم چنین مقیاس پذیری، قابلیت کنترل قطر نانولوله، کیفیت، کمیت و سرعت تولید آن می باشد. تولید نانولوله به روش CVD ، یک فرآیند دو مرحله ای است که شامل تهیه کاتالیزور و تهیه نانولوله ها است.
پارامترهای مختلفی بر روی این روش تاثیرمی گذارند که به اختصار عبارتند از: نوع کاتالیزور که خود شامل نوع فلز و نوع پایه می باشد، نوع منبع کربنی، نوع گاز حامل، سرعت جریان گاز، دما و زمان واکنش، قطر ذرات کاتالیزور. میتوان گفت که کاتالیزور مهمترین پارامتر در میان مجموعه عوامل مذکور است. کاتالیزور مورد استفاده در تهیه نانولوله های کربنی از دو جزء - فلز و پایه - تشکیل می شود. متداول ترین کاتالیزورها آهن، کبالت، نیکل، پالادیم و ... اند که به تنهایی یا مخلوط دو یا چند جزئی مورد استفاده قرار میگیرند.
بر اساس گزارشات، فعالیت کاتالیزری مخلوط های دو جزئی آهن-کبالت بسیار بالاست. در این پژوهش سعی شده است که نانوکامپوزیت هایی از آهن و کبالت با اکسیدهای فلزی چهارگانه اکسید منیزیم، اکسید کلسیم، اکسید روی و دی اکسید تیتانیوم بعنوان بستر تهیه شده و مورد مشخصه یابی قرار گیرد. سپس این نانوکامپوزیتها برای رشد نانولوله های کربنی به روش نشست بخار شیمیایی حرارتی مورد استفاده قرار گرفتند.
بخش تجربی
ابتدا مقدار مورد نظر از بستر های اکسید فلزی در 10ml آب مقطر حل شده و به مدت 14min تحت امواج فراصوت قرار گرفت. مقدار مناسب با درصد وزنی کاتالیست دوگانه Fe-Co نسبت به بستر نمک نیترات آهن وکبالت بطور جداگانه در 5ml آب مقطر حل شد و به مدت 10min تحت امواج فراصوت قرار گرفت. سپس محلول نمک نیترات Fe و Co به تدریج به سوسپانسیون حاوی پودر بستر اضافه شد. در نهایت محلول حاصل در دمای دمای 75œC تا تبخیر کامل حلال، همراه با عمل هم زدن بر روی هات پلیت قرار گرفت.
پودر به دست آمده ابتدا به طور دستی در هاون آسیاب و سپس در کوره تحت 500œC به مدت 2 ساعت کلسینه گردید. در این مرحله پایه کاتالیستی تهیه گردید. حال 50 میلی گرم از بستر کاتالیستی تهیه شده در مرحله قبل به طور یکنواخت روی بوته کوارتز توزیع و به درون محفظه واکنش در یک سیستم TCVD هدایت و تحت شارش مخلوطی از گاز استیلن و آرگون در دمای 800œC به مدت 15min قرار گرفت. پس از پایان مدت فوق، شارش گاز استیلن قطع و محصولات تحت اتمسفر آرگون تا دمای محیط سرد و جمع آوری شد.
نتایج و بحث
یکی ازعوامل تاثیرگذار بر کیفیت و بهره نانولوله های کربنی، استفاد از یک پایه کاتالیست مناسب است. در واکنش هایی که در آنها از کاتالیزرها استفاده می شود، سطح کاتالیست محل انجام واکنش می باشد، بهمین دلیل، هر چه سطح کاتالیست بیشتر باشد، فعالیت آن بهتر است. یکی از راه های افزایش سطح کاتالیست، استفاده از پایه است که باعث پراکنده کردن ذرات فلزی در مخلوط کاتالیست می گردد در این پژوهش از اکسید های فلزی MgO، CaO، ZnO و TiO2 به دلیل حذف راحت آن ها در مرحله خالص سازی استفاده شده است.
الگوی XRD پایه های کاتالیستی چهارگانه
نانوذرات سنتز شده، بهطور عمده بهصورت تودههایی از چند ذره بههم چسبیده میباشند که تشکیل ذرات بزرگتری را دادهاند. - برای رعایت اختصار از ارائه نمودار دو پایه دیگر صرفنظر شده است - . در این طیفها قلههای مربوط به هر دو عنصر کبالت و آهن ظاهر شدهاند که نشاندهنده نقش آفرینی ترکیبات حاوی کبالت و آهن در کنار اکسیدهای فلزی بهعنوان کاتالیست در پایهها برای رشد نانولوله هاست. با توجه به دادههای حاصل از طیف EDX غلظتهای آهن و کبالت در هر پایه کاتالیستی تقریباً یکسان است که انتظار ما نیز چنین بود.
تصاویر Xmap توزیع ذرات را برای کاتالیستهای آهن و کبالت در بستر TiO2 نشان میدهد. ذرات آهن با رنگ سبز و کبالت با رنگ زرد نشان داده شده اند . مشاهده میشود که ذرات از پراکندگی خوبی در بستر برخوردارند. تصاویر مشابهی برای سایر پایه ها نیز بدست آمد که برای رعایت اختصار در اینجا از ارائه آنها صرفنظر شده است. از پایه های کاتالیستی بدست آمده برای رشد نانولوله های کربنی استفاده گردید. نتایج بیانگر آنند که بر هر چهار نمونه کاتالیستی، نانولوله های کربنی با فراوانی قابل قبول با انحنای زیاد و بشکل درهمتنیده رشد یافتهاند. در اینجا برای رعایت اختصار نتایج رشد بر پایه TiO2 که موفق ترین پایه از نظر میزان رشد نانولوله ها و کیفیت و بلورینگی آنها بوده است، ارائه میشود.
