بخشی از پاورپوینت
اسلاید 1 :
روش های رشد نانولوله های کربنی
اسلاید 2 :
تولید نانولوله های کربنی
هر چند ممکن است سومیو ایجیما اولین کسی باشد که یک نانولوله را مشاهده کرده است، اما بدون شک او اولین کسی نبوده که آن ها را تولید کرده است. شاید غارنشینان نیز ناخواسته در آتشی که در غارهایشان روشن می کردند مقادیر اندکی نانولوله تولید کرده باشند. در اثر شکستن پیوندها با حرارت، اتم های کربن حتی در یک ذغال قادر به ترکیب شدن هستند. برخی از آن ها توده های بی شکلی ایجاد می کنند، اما برخی می توانند شکل یک توپ فوتبال یا کپسول های بلند استوانه ای که به ترتیب باکی بال و نانولوله نامیده می شوند را ایجاد کنند.
اسلاید 3 :
روشهای سنتز نانولولههای کربنی متنوع بوده و از جمله آنها میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
1. تخلیه قوس الکتریکی (Arc Discharge)
2. سایش لیزری ( Laser ablation)
3. رسوب شیمیایی فاز بخار (CVD)
4. روش الکترولیز(Electrolysis)
5. استفاده از انرژی خورشیدی (Solar Production)
در این میان، سه روش اول از اهمیت بیشتری برخوردار بوده و بیشتر از بقیه روشها، برای تولید نانولولههای کربنی مورد استفاده قرار میگیرند که به ارائه این سه روش می پردازیم.
اسلاید 5 :
تخلیه قوس الکتریکی
اسلاید 6 :
یکی از اولین روشهای مورد استفاده برای تولید CNT ها تخلیه قوس الکتریکی می باشد.روش تخلیه قوس الکتریکی از دو الکترود گرافیت (6-12mm قطر)که در یک فاصله کوتاه (1-4mm) و داخل یک محفظه پر ازگاز بی اثر گاز قرار گرفته اند تشکیل شده است.جریان در حدود 50-100A از میان الکترود ها عبور می کند ، و اتم های کربن از الکترود مثبت خارج (آند) و در الکترود منفی (کاتد) سپرده می شوند. کربن تبخیرشده از گرافیت آند به شکل کریستال، خوشه های کوچک کربن را تولید می کند .
به دلیل اینکه الکترون ساطع شده از کاتد به آند با سرعت بالا پرتاب می شود ، بنابراین درجه حرارت آند بالاتر از دمای کاتد می شود واتم های کربن تبخیرمی شود. بنابراین اتم های کربن تبخیر شده در محفظه به نانوذرات کربن از جمله فولرن انعقاد می یابند .(20-40٪) از کربن تبخیرشده به کاتد مجاور سپرده می شود (در دمای نسبتا پایین) و در آنجا نانولوله های چند دیواره رشد می کنند. با این حال، هنگامی که میله گرافیت آند حاوی فلزات نادر باشد (که برای تولید فولرن موثرند) بازده بسیار بالایی از نانولوله های چند دیواره ای که درکاتد سپرده شدهاند بدست میآید .
اسلاید 8 :
چنانچه در این فرایند از کاتالیزگر استفاده نشود نانولوله های چند دیواره تولید خواهند شد.(MWCNT)
برای تولید نانوله های تک دیواره SWCNT ) ) در فرایند تخلیه قوس الکتریکی از کاتالیزورنیز باید استفاده شود.
فلزاتی نظیر کبالت- نیکل- پلاتین و آهن به عنوان کاتالیزور استفاده می شوند.
اسلاید 10 :
به عنوان یک ضمیمه از SWCNTs، نانولوله های کربنی دو جداره (DWCNTs) نیز با استفاده از تخلیه قوس الکتریکی ساخته شده است.
اسلاید 11 :
میزان استخراج: تا 30 درصد وزنی ذغال بر جای مانده
مزایا: دمای بالا و کانالیست های فلزی که به میله های گرافیتی اضافه شده است می توانند نانولوله های تک دیواره و چند دیواره را با عیوب کم یا بدون عیب تولید کند.
محدودیت ها: نانولوله ها با طول کمی (50 میکرون یا کمتر) تولید شده و در اندازه و جهات تصادفی شکل می گیرند.
اسلاید 12 :
نانولوله های تولید شده در روش قوس الکتریکی
اسلاید 13 :
سایش لیزر
اسلاید 14 :
در سال 1996، گروه اسمایلی از دانشگاه رایس، سنتز نانولولههای کربنی تکدیواره با بازدهی بیش از 70% را به وسیله روش تبخیر لیزری میلههای گرافیتی با مقدار کم نیکل و کبالت (به عنوان کاتالیست) در 1200 درجه سانتی گراد گزارش دادند.
در این دستگاه یک پرتو لیزر ضربانی یا پیوسته ، به نمونه گرافیتی که شامل نیم درصد اتمی نیکل و کبالت به عنوان کاتالیزور است، تابیده میشود تا آن را تبخیر کرده و سبب جدا شدن خوشههای کربنی از آن گردد. تفاوت اصلی لیزر ضربانی و پیوسته این است که لیزر ضربانی شدت نور بسیار بالاتری دارد kw/cm2 100). در مقایسه با( kw/cm2 12 کوره با گازهای بیاثر نظیر هلیم یا آرگون پُر شده و فشار آن نیز روی Torr 500 نگه داشته شده است. جریان آرگون یا هلیم در رآکتور که به وسیله کوره تا 1200 درجه سانتیگراد گرم شده است، بخار را حمل کرده و هستههای نانولوله کربنی را ایجاد میکند که به رشد خود ادامه میدهند. نانولولهها بر روی دیوارههای سردتر لوله کوارتز، در پایین کوره، رسوب میکنند.
اسلاید 16 :
به طور تجربی نشان داده شده که مدت زمان رشد SWCNT در این روش تنها چند میلی ثانیه طول می کشد. به طور کلی، هنگامی که از روش لیزر استفاده شود همراه با SWCNTs و نانولوله های چند دیواره ، فولرن، کربن بی شکل، و دیگر کربن توسط محصولات تولید شده است. نانولوله های چند دیواره تولید شده توسط این روش تعداد لایه های مختلف 4-24 و قطر داخلی در محدوده بین 1.5و 3.5nm دارند.
مورفولوژی و خواص نانولوله ها به شدت تحت تاثیربسیاری از پارامترهای مختلف از جمله شدت نور، درجه حرارت کوره، نوع هیدروکربنی و گاز حامل و میزان جریان گازها مختلف است.
به عنوان مثال، هنگامی که درجه حرارت کوره است زیر 800 C است هیچ رشد نانولوله های کربنی مشاهده نشده است، در حالی که عملکرد SWCNT حداکثر در حدود 1200 C به دست آمده است.
اسلاید 17 :
میزان استخراج: تا 70 درصد وزنی
مزایا: مشابه فرایند قوس الکتریکی، الکترود گرافیتی خالص منجر به سنتز نانولولههای چنددیواره میگردد، اما برای سنتز نانولولههای تک دیواره بایستی گرافیت با فلزاتی نظیر Co، Ni، Fe و Y مخلوط گردد. نانولولههای تولید شده به روش سایش لیزری نسبت به روش قوس الکتریکی خالص میباشند (با درجه خلوص بالای 90%).
تحقیقات اخیر نشان داده که لیزر با پالسهای بسیار سریع میتواند برای تولید مقادیر زیاد نانولولههای کربنی تکدیواره، به کار رود.
همچنین نانولوله های تک دیواره در محدوده ای از قطر که با تغییر دمای واکنش قابل کنترل باشد تولید می شود.
محدودیت ها: به طور کلی روش سایش لیزری از لحاظ اقتصادی، روش مقرون به صرفهای نیست، چرا که این عملیات نیازمند میلههای گرافیتی با خلوص بالا و لیزر با توان بالاست. همچنین سرعت تولید این روش نسبت به روشهای دیگر، کمتر است.
اسلاید 18 :
رسوب بخار شیمیایی(CVD)
اسلاید 19 :
روش CVD از ديگر روشهاي توليد نانولولههاي کربني است که براي توليد انبوه (در حد چند کيلوگرم) به کار ميرود. اين روش شامل رشد کاتاليزوري عنصر کربن در دماي بالاست. در اين فرآيند از نانوذرات فلزي که به عنوان کاتاليست عمل ميکنند، استفاده ميشود.
رسوب بخار شیمیایی (CVD) یک روش نسبتا آهسته است که مقادیر زیاد نانولوله تولید می کند.منبع هیدروکربن در درجه حرارت بالا ، به طور معمول بین 700 و 1000 C، در داخل یک لوله کوارتز در حضور سیستم های کاتالیزوری گرم می شود. CNT ها ازتجزیه حرارتی از مولکول های گاز کربن دار در سیستم کاتالیزوری مطلوب تولید می شوند.در حال حاضراین بستر، مرکزی برای رشد نانولوله فراهم میکند. در درجه حرارت بالا، پس از آن که هیدروکربن به هیدروژن و کربن تجزیه می شوند ، اتم های کربن درسطح فلز حل می شود و منتشر می شوند و به یک شبکه شامل شش ضلعی از اتم های کربن تنظیم میکند و در نهایت در قالب نانولوله ها رسوب میکند.
