بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش تاثیر غلظت اسیدهای ترکیب دو اسیدی اسید نیتریک و اسید سولفوریک و همچنین نحوه انجام اکسیداسیون - با استفاده از دستگاه التراسونیک و رفلاکس - بر روی عاملدارشدن نانولولههای کربنی چند دیواره بررسی می-شود. مشخصهیابی نمونه ها به کمک آزمایش پراکندگی، میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - ، طیف سنجی تبدیل فوریه فروسرخ - FTIR - و طیفسنجی رامان - - Raman انجام شد.
بررسی ها نشان داد که در اثر اسیدشویی گروههای عاملی کربوکسیل و هیدروکسیل بر بدنه نانولوله ها شکل میگیرند. نانولوله های خام ساختاری در هم تنیده و معوج دارند که در اثر اسیدشویی از درهم تنیدگی و انحنای آنها کاسته میشود. هم چنین بنظر میرسد که اسیدشویی بویژه با اسیدهای غلیظ به کاهش طول و شکستگی نانولوله ها منجر میشود. با توجه به تصاویر SEM، آزمون پراکندگی و طیف سنجی رامان موفق ترین عاملدارسازی با صدمه کمتر به بدنه یکپارچه نانولوله ها با استفاده از ترکیب اسیدی با غلظت بالا و تحت عملیات رفلاکس بدست آمد.
.1مقدمه:
در دهههای اخیر نانولولههایکربنی - - CNT با توجه به خواص منحصر به فردشان از جمله رسانایی الکتریکی و حرارتی بسیار بالا، پایداری شیمایی، استحکام فوقالعاده مکانیکی و ... توجه محققان زیادی را بخود جلب کردهاند. ماهیت CNTها آبگریز است و قابلیت پخش شدن در محلولها را دارا نمیباشند و این مانعی برای استفاده از آنها در بسیاری از کاربردهاست. راه حل این مشکل عاملدارسازی ست.
نانولولههای عاملدار شده را میتوان در صنایع مختلف مانند ساختمان، صنایع دارویی، حسگرهای شیمیایی و زیستی، نانوکامپوزیتها، سلول خورشیدی، پیل سوختی و ... استفاده کرد.[2] لذا جستجو در زمینه روشهای عاملدار کردن موثر نانولولهها یک هدف تحقیقاتی ارزشمند است.
بطور کلی دو روش برای عاملدارکردن CNTها وجود دارد:روش کوالانسی و روش غیرکوالانسی. هر کدام ازین روشها به شاخههای گوناگونی تقسیم میشوند. به عنوان مثال پوشاندن سطح CNTها با استفاده از پلیمرها، سورفکتانتها و... از شاخههای مربوط به روش غیرکوالانسی میباشد. یکی از روشهای متداول کوالانسی برای عاملدارسازی استفاده از اسیدشویی است.
ما در این آزمایش از ترکیب دو اسید یعنی اسیدنیتریک و اسیدسولفوریک یک بار با غلظت بالا و بار دیگر با غلظت کم برای عاملدارسازی CNTها استفاده کردیم و آزمایش خود را به کمک دو دستگاه رفلاکس و التراسونیک انجام دادیم تا تاثیر غلظت اسیدی و نحوه اسیدشویی را بر عاملدارشدن نانولولهها بررسی کنیم.
.2روش آزمایش
در این آزمایش ما CNTهای خام را در ترکیب دوگانه اسیدسولفوریک - - H2SO4 و اسید نیتریک - - HNO3 با نسبت حجمی - 1:3 - و غلظت بالا مخلوط کرده و به مدت 4.5 ساعت تحت دستگاه رفلاکس بر روی هاتپلیت با دمای 70œC قرار میدهیم. بعد از گذشت زمان مذکور، محلول بدست آمده را با 3 برابر حجم آن آب دیونیزه مخلوط و محلول حاصل را 4 الی 6 بار سانتریفیوژ کرده و با آب دیونیزه میشوییم تا به پی هاش 7 برسد . سپس آن را به مدت 12ساعت در آون قرار میدهیم تا خشک شود. نمونه بدست آمده را پودر میکنیم.
همین فرآیند را یک بار دیگر انجام میدهیم با این تفاوت که این بار به جای استفاده از دستگاه رفلاکس از دستگاه التراسونیک استفاده می کنیم. به این صورت که با همان نسبت و با همان غلظت گفته شده در روش قبلی اسید ها و CNT را با هم مخلوط کرده و به مدت 2 ساعت در داخل دستگاه التراسونیک با دمای 60 درجه قرار میدهیم. دوباره محلول به دست آمده را با 3 برابر مقدار آن آب دیونیزه مخلوط کرده و محلول حاصل را 4 الی 6 بار سانتریفیوژ کرده تا پی هاش نمونه به 7 برسد.
رسوب باقی مانده را به مدت 12 ساعت در آون با دمای 70 درجه قرار می دهیم تا خشک شود و بعد از خشک شدن نیز آن را پودر می کنیم. تمام این آزمایشات را با همان مقادیر و نسبت های حجمی با استفاده از دو اسید نیتریک اسید و سولفوریک اسید رقیق شده 12 - نرمال - نیز انجام می دهیم. جدول زیر نحوه ارجاع به نانولوله خام و عاملدارشده را نشان میدهد.
جدول - : - 1 نامگذاری نانولولههای عاملدارشده بر اساس نحوه اسیدشویی
.3نتایج و بحث
مقدار5 میلیگرم از نانولولههای خام و عاملدارشده را در 10 میلیلیتر اتانول 98درصد ریخته و به مدت 10 دقیقه در دستگاه التراسونیک قرار میدهیم. میزان پراکندگی بعد از یک ساعت و بعد از 24 ساعث به صورت شکل - - 1 ثبت گردید. همانطور که در شکل مشخص است پراکندگی مربوط به نمونههای RHFCNT و UHCNT ، نسبت به بقیه بیشتر بود که میتوان علت را استفاده از اسید غلیظ دانست. نانولولههای عاملدارشده با استفاده از اسید رقیق از پخش شدگی ضعیفتری برخوردارند و به مرور زمان نشست نانولولههای کربنی در آنها به چشم میخورد.
شکل - : - 1 تصویر مربوط به پراکندگی - a - بعد از1ساعت. - b - بعد از 24ساعت. به ترتیب از چپ به راست
RHFCNT .5 UHFCNT .4 RLFCNT .3 ULFCNT .2 .RCNT .1
برای بررسی مورفولوژی نانولولههای خام و عاملدار شده از تصاویرFESEM استفاده گردید. شکل - 2 - a تصویر با بزرگنمایی کم از نانولولهها را نشان میدهد. ساختارهای طویل و رشته مانند در این تصویر نانولولههای کربنی را نشان می-دهند. نانولولهها تا حدی در هم تنیده و تودرتو به نظر میرسند که در روش تولید نشست بخار شیمیایی چنین ساختاری معمول است.
همچنین تجمعات کلوخهای و کپهای از نانولولهها به چشم میخورد. به نظر میرسد با توجه به عدم یکنواختی در تصویر، ساختارهای کربنی غیر نانولولهای، ذرات کربنی نانوساختار و آلودگیهایی که معمولا به عنوان تولیدات جانبی در روشهای تولید نانولولهها در کنار آنها شکل میگیرند، نیز در نمونه حضور دارند. این گزاره تا حدی در تصویر با بزرگنمایی بالا شکل - 2 - b واضحتر به نظر میرسد.
در شکل - - 3که تصاویر مربوط به نانولولههای عاملدارشده است، نمونهها تمیزتر و تقریبا عاری از ساختارهای غیر رشتهای به نظر میرسند. این امر مورد انتظار است زیرا در اثر اسیدشویی ذرات کربن آمورف یا آلودگیهای کربنی ناشی از گاز خوراک هیدروکربنی که منجر به تشکیل نانولوله نشدهاند، ذرات فلزی کاتالیستی و سایر ذراتی که به عنوان بستر در رشد نانولوله دخالت دارند، در اسید حل شده و نمونه را ترک میکنند. همچنین تا حدی از در هم تنیدگی نانولولهها کاسته شده است.
به نظر میرسد طول نانولولهها نیز کمتر شده است، زیرا در اثر اسیدشویی امکان باز شدن انتهای بسته نانولولهها و جدایی نیمکرههای فولرین مانند سرهای نانولولههای با انتهای بسته و چند پاره شدن و تکه شدن نانولولهها در قسمتهایی که دارای انتهای زیاد و پیوندهای اتمی ضعیفترند یا در نقاط نقصی که یک پیوند کربن-کربن گسسته شده، وجود دارد. نکته دیگری که از مقایسه این تصاویر میتوان دریافت آن است که اسیدشویی با اسید غلیظ آثار شدیدتری در نانولوله خام در مقایسه با اسید رقیق ایجاد میکند. پالایش از آلودگیها، کاهش در هم تنیدگی و کوتاهتر شدن طول نانولولهها در اسیدشویی با اسید غلیظ واضحتر مشاهده میشود.
