Pemurnian tabung nano karbon

Tidak ada metode umum untuk memperoleh CNT yang memungkinkan untuk mengisolasinya dalam bentuk murni. Pengotor dalam NT dapat berupa fullerene, karbon amorf, partikel grafit, dan partikel katalis.

Tiga kelompok metode pemurnian CNT digunakan:

destruktif,

tidak merusak,

digabungkan.

Metode destruktif menggunakan reaksi kimia yang dapat bersifat oksidatif atau reduktif dan didasarkan pada perbedaan reaktivitas berbagai bentuk karbon. Untuk oksidasi, larutan zat pengoksidasi atau reagen gas digunakan, dan hidrogen digunakan untuk reduksi. Metode ini memungkinkan isolasi CNT dengan kemurnian tinggi, namun berhubungan dengan kehilangan tabung.

Metode non-destruktif meliputi ekstraksi, flokulasi dan pengendapan selektif, mikrofiltrasi aliran silang, kromatografi eksklusi ukuran, elektroforesis, dan interaksi selektif dengan polimer organik. Biasanya, metode ini memiliki produktivitas rendah dan tidak efektif.

Sifat-sifat tabung nano karbon

Mekanis. Nanotube, seperti telah dikatakan, adalah material yang sangat kuat, baik dalam tarikan maupun tekukan. Selain itu, di bawah pengaruh tekanan mekanis yang melebihi tekanan kritis, tabung nano tidak “pecah”, tetapi disusun ulang. Berdasarkan sifat kekuatan tinggi dari nanotube, dapat dikatakan bahwa nanotube merupakan material terbaik untuk kabel elevator luar angkasa saat ini. Seperti yang ditunjukkan oleh hasil eksperimen dan simulasi numerik, modulus Young dari nanotube berdinding tunggal mencapai nilai sekitar 1-5 TPa, yang merupakan urutan besarnya lebih besar dari baja. Grafik di bawah menunjukkan perbandingan antara nanotube berdinding tunggal dan baja berkekuatan tinggi.

1 - Menurut perhitungan, kabel elevator ruang angkasa harus menahan tekanan mekanis sebesar 62,5 GPa

2 - Diagram tarik (tekanan mekanis y versus perpanjangan relatif e)

Untuk menunjukkan perbedaan signifikan antara material terkuat saat ini dan tabung nano karbon, mari kita lakukan eksperimen pemikiran berikut. Bayangkan, seperti asumsi sebelumnya, kabel untuk elevator luar angkasa akan berupa struktur homogen berbentuk baji yang terdiri dari bahan terkuat yang ada saat ini, maka diameter kabel di GEO (orbit bumi geostasioner) akan menjadi sekitar 2 km dan akan menyempit hingga 1 mm di permukaan bumi. Dalam hal ini, massa totalnya adalah 60 * 1010 ton. Jika karbon nanotube digunakan sebagai bahannya, maka diameter kabel GEO akan menjadi 0,26 mm dan 0,15 mm di permukaan bumi, sehingga massa totalnya akan menjadi 9,2 ton. Terlihat dari fakta di atas, karbon nanofiber merupakan bahan yang dibutuhkan dalam pembuatan kabel yang diameter sebenarnya sekitar 0,75 m, agar juga tahan terhadap sistem elektromagnetik yang digunakan untuk menggerakkan elevator ruang angkasa. kabin.

Listrik. Karena ukuran karbon nanotube yang kecil, baru pada tahun 1996 resistivitas listriknya dapat diukur secara langsung menggunakan metode empat cabang.

Garis-garis emas diaplikasikan pada permukaan silikon oksida yang dipoles dalam ruang hampa. Nanotube sepanjang 2–3 μm diendapkan ke dalam celah di antara keduanya. Kemudian, 4 konduktor tungsten dengan ketebalan 80 nm diaplikasikan pada salah satu nanotube yang dipilih untuk pengukuran. Masing-masing konduktor tungsten memiliki kontak dengan salah satu strip emas. Jarak antara kontak pada nanotube berkisar antara 0,3 hingga 1 μm. Hasil pengukuran langsung menunjukkan bahwa resistivitas nanotube dapat bervariasi dalam batas yang signifikan - dari 5,1*10 -6 hingga 0,8 Ohm/cm. Resistivitas minimum adalah urutan besarnya lebih rendah dari grafit. Sebagian besar nanotube memiliki konduktivitas logam, dan sebagian kecil menunjukkan sifat semikonduktor dengan celah pita 0,1 hingga 0,3 eV.

Peneliti Perancis dan Rusia (dari IPTM RAS, Chernogolovka) menemukan sifat lain dari nanotube, seperti superkonduktivitas. Mereka mengukur karakteristik tegangan arus dari nanotube berdinding tunggal dengan diameter ~1 nm, sejumlah besar nanotube berdinding tunggal yang digulung menjadi satu bundel, serta nanotube berdinding banyak individu. Arus superkonduktor pada suhu mendekati 4K telah diamati antara dua kontak logam superkonduktor. Fitur transfer muatan dalam nanotube berbeda secara signifikan dari fitur yang melekat pada konduktor tiga dimensi biasa dan, tampaknya, dijelaskan oleh sifat transfer satu dimensi.

Selain itu, de Geer dari Universitas Lausanne (Swiss) menemukan sifat yang menarik: perubahan konduktivitas yang tajam (sekitar dua kali lipat) dengan lengkungan kecil, 5-10°, pada tabung nano berdinding tunggal. Properti ini dapat memperluas jangkauan aplikasi nanotube. Di satu sisi, nanotube ternyata merupakan pengubah getaran mekanis yang sangat sensitif dan siap pakai menjadi sinyal listrik dan sebaliknya (sebenarnya, ini adalah handset telepon yang panjangnya beberapa mikron dan diameternya sekitar satu nanometer), dan, di sisi lain, ini adalah sensor deformasi terkecil yang hampir siap pakai. Sensor semacam itu dapat diterapkan pada perangkat yang memantau kondisi komponen mekanis dan bagian-bagian yang menjadi sandaran keselamatan manusia, misalnya penumpang kereta api dan pesawat terbang, personel pembangkit listrik tenaga nuklir dan termal, dll.

Kapiler. Eksperimen telah menunjukkan bahwa nanotube terbuka memiliki sifat kapiler. Untuk membuka nanotube, Anda harus melepas bagian atas - tutupnya. Salah satu metode penghilangannya adalah dengan menganil nanotube pada suhu 850 0 C selama beberapa jam dalam aliran karbon dioksida. Akibat oksidasi, sekitar 10% dari seluruh nanotube menjadi terbuka. Cara lain untuk menghancurkan ujung nanotube yang tertutup adalah dengan merendamnya dalam asam nitrat pekat selama 4,5 jam pada suhu 2400 C. Akibat perlakuan ini, 80% nanotube menjadi terbuka.

Studi pertama tentang fenomena kapiler menunjukkan bahwa cairan menembus saluran nanotube jika tegangan permukaannya tidak lebih tinggi dari 200 mN/m. Oleh karena itu, untuk memasukkan zat apa pun ke dalam tabung nano, digunakan pelarut dengan tegangan permukaan rendah. Misalnya, untuk memasukkan nanotube dari beberapa logam ke dalam saluran, digunakan asam nitrat pekat, yang tegangan permukaannya rendah (43 mN/m). Kemudian dilakukan annealing pada suhu 4000 C selama 4 jam dalam atmosfer hidrogen yang menyebabkan terjadinya reduksi logam. Dengan cara ini, nanotube yang mengandung nikel, kobalt dan besi diperoleh.

Selain logam, tabung nano karbon juga dapat diisi dengan zat gas, seperti molekul hidrogen. Kemampuan ini memiliki arti praktis karena membuka kemungkinan penyimpanan hidrogen yang aman, yang dapat digunakan sebagai bahan bakar ramah lingkungan pada mesin pembakaran internal. Para ilmuwan juga mampu menempatkan seluruh rantai fullerene dengan atom gadolinium yang sudah tertanam di dalam nanotube (lihat Gambar 5).

Beras. 5. Di dalam C60 di dalam nanotube berdinding tunggal

reaksi dalam asam sulfat yang mengandung kromat anhidrida. Namun, penghilangan awal sebagian besar butiran nanodiamond diperlukan. Referensi 1. Spitsyn B.V., Davidson J.L., Gradoboev M.N., Galushko T.B., Serebryakova N.V., Karpukhina T.A., Kulakova I.I., Melnik N.N. Terobosan modifikasi nanodiamond detonasi // Diamond dan Material Terkait, 2006, Vol. 15, hal. 296-299 2. Pat. 5-10695, Jepang (A), Larutan pelapisan kromium, Tokyo Daiyamondo Kogu Seisakusho K.K., 27/04/1993 3. Dolmatov, V.Yu. Berlian ultrahalus sintesis detonasi sebagai dasar kelas baru pelapis galvanik logam-berlian komposit / V.Yu.Dolmatov, GK Burkat // Bahan superhard, 2000, T. 1.- P. 84-94 4. Gregory R. Flokulasi dan sedimentasi - prinsip dasar // Spec. Kimia, 1991, Jil. 11, no.6, hal. 426-430 UDC 661.66 N.Yu. Biryukova1, A.N.Kovalenko1, S.Yu. Tsareva1, L.D. Iskhakova2, E.V. Zharikov1 Universitas Teknologi Kimia Rusia dinamai menurut namanya. DI. Mendeleev, Moskow, Rusia Pusat Ilmiah Serat Optik RAS, Moskow, Rusia 1 2 PURIFIKASI NANOTUBE KARBON YANG DIPEROLEH DENGAN METODE PIROLISIS KATALIS BENZENA Dalam karya ini, hasil studi eksperimental pemurnian dan pemisahan nanotube berdinding banyak secara fisik dan metode kimia disajikan. Efisiensi setiap tahap telah dikontrol dengan mempelajari karakteristik morfologi produk pirolisis. Makalah ini menyajikan hasil studi eksperimental pemurnian dan pemisahan tabung nano karbon berdinding banyak menggunakan metode fisik dan kimia. Efektivitas setiap tahap pemurnian dipantau oleh perubahan karakteristik morfologi produk pirolisis. Metode pirolisis katalitik hidrokarbon merupakan salah satu metode yang menjanjikan untuk sintesis tabung nano karbon. Metode ini memungkinkan untuk memperoleh nanotube berdinding tunggal, berdinding banyak, susunan struktur nano karbon yang berorientasi dengan pengaturan parameter sintesis yang sesuai. Pada saat yang sama, produk yang diperoleh dengan pirolisis senyawa yang mengandung karbon, bersama dengan tabung nano, mengandung sejumlah besar pengotor, seperti partikel katalis, karbon amorf, fullerene, dll. Untuk menghilangkan pengotor ini, metode fisik biasanya digunakan ( sentrifugasi, ultrasonikasi, filtrasi) dalam kombinasi dengan bahan kimia (oksidasi dalam media gas atau cair pada suhu tinggi). Pekerjaan ini menguji teknik gabungan untuk memurnikan dan memisahkan nanotube berdinding banyak dari produk sampingan, dan menentukan efektivitas berbagai reagen. Deposit awal diperoleh dengan pirolisis katalitik benzena menggunakan besi pentakarbonil sebagai prakatalis. Deposit tersebut diolah dengan asam klorida, sulfat dan nitrat. Agregat nanotube dipecah dengan USG pada frekuensi 22 kHz. Untuk memisahkan endapan menjadi pecahan, digunakan sentrifugasi (3000 rpm, waktu pemrosesan - hingga 1 jam). Selain asam, perlakuan panas nanotube menggunakan U S P E X I juga digunakan dalam bidang kimia dan teknologi kimia. Jilid XXI. 2007. Nomor 8 (76) 56 udara. Untuk mencapai pemurnian terbaik, urutan optimal dari berbagai metode ditetapkan. Karakteristik morfologi produk pirolisis dan tingkat pemurnian dipantau dengan pemindaian mikroskop elektron, spektroskopi Raman, dan analisis fase sinar-X. UDC 541.1 E.N. Golubina, N.F. Kizim, V.V. Institut Moskalenko Novomoskovsk dari Universitas Teknologi Kimia Rusia dinamai demikian. DI. Mendeleev, Novomoskovsk, Russia PENGARUH STRUKTUR NANO TERHADAP FITUR EKSTRAKSI DALAM SISTEM AIR – ErCl3 – D2EHPA – KINETIK HEPTAN Ciri kinetik Er(III) yang diekstraksi larutan D2EHPA dalam heptana (area terkonsentrasi pada kurva kinetik, laju ekstraksi yang tinggi akumulasi pada lapisan antarmuka dinamis pada awal proses, disposisi ekstrem ditinjau tergantung pada ketebalan lapisan antarmuka dinamis dari rasio konsentrasi unsur dan pelarut) ditunjukkan pada bagian penting struktur nano dalam proses ekstraksi. Ciri-ciri kinetik ekstraksi erbium (III) dengan larutan D2EHPA dalam heptana (konsentrasi dataran tinggi pada kurva kinetik, tingginya laju akumulasi di DMS pada awal proses, sifat ekstrim dari ketergantungan ketebalan yang diamati DMS pada rasio konsentrasi unsur dan ekstraktan) menunjukkan peran penting struktur nano dalam proses ekstraksi. Diketahui bahwa berbagai objek nano dapat muncul dalam sistem ekstraksi: lapisan adsorpsi, misel, gel misel, vesikel, gel polimer, gel kristal, mikroemulsi, nanodispersi, emulsi. Secara khusus, dalam sistem air dekana La(OH)3-D2EHPA, organogel terbentuk, struktur spasialnya dibangun dari partikel berbentuk batang dengan diameter ≈0,2 dan panjang 2-3 μm. Garam natrium D2EHPA tanpa adanya air membentuk misel silinder terbalik dengan radius 53 nm. Pada penampang misel terdapat tiga molekul NaD2EHP yang berorientasi dengan gugus polar ke arah pusat dan rantai hidrokarbon ke arah pelarut organik. Keadaan kisi tersebut bergantung pada sifat elemennya. Dalam kasus Co(D2EHP)2, struktur makromolekul terbentuk dengan bilangan agregasi lebih besar dari 225. Dalam kasus Ni(D2EHP)2 (kemungkinan Ni(D2EHP)2⋅2H2O), muncul agregat dengan bilangan agregasi ≈5.2 . Dalam kondisi tertentu, pembentukan struktur molekul polimer dengan radius hidrodinamik ≈15 nm dimungkinkan. Ketika lantanum diekstraksi dengan larutan D2EHPA, lantanum alkil fosfat yang besar dan kaku secara struktural terbentuk, yang menyebabkan penurunan elastisitas lapisan tunggal lantanum alkil fosfat pada antarmuka fase. Pembentukan struktur nano mempengaruhi sifat kesetimbangan sistem dan kinetika proses. Ekstraksi unsur tanah jarang diperumit dengan terjadinya berbagai proses antarmuka, seperti munculnya dan berkembangnya konveksi permukaan spontan (SSC), pembentukan penghalang struktural-mekanis, dispersi fasa, dll. Sebagai hasil dari reaksi kimia antara D2EHPA dan unsur tersebut, terbentuk garam yang sedikit larut, yang menyebabkan pembentukan struktur nano menurut mekanisme “dari lebih kecil ke lebih besar”. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh struktur nano pada fitur kinetik ekstraksi erbium(III) dengan larutan D2EHPA dalam heptana. U S P E X I di bidang kimia dan teknologi kimia. Jilid XXI. 2007. Nomor 8 (76) 57

Mengirimkan karya bagus Anda ke basis pengetahuan itu sederhana. Gunakan formulir di bawah ini

Pelajar, mahasiswa pascasarjana, ilmuwan muda yang menggunakan basis pengetahuan dalam studi dan pekerjaan mereka akan sangat berterima kasih kepada Anda.

Diposting di http://www.allbest.ru/

Perkenalan

Nanoteknologi - ilmu tentang pembuatan dan sifat-sifat unsur teknis pada tingkat atom dan molekul - kini menjadi perbincangan semua orang. Perangkat nano dan mesin nano yang dibuat dari elemen-elemen tersebut sudah berpindah dari dunia fantasi ke kehidupan modern. Dan bagian dari ilmu ini adalah cabang penelitian nanotube dan fullerene yang berkembang pesat, yang telah menarik ratusan kelompok penelitian yang terdiri dari fisikawan, kimia, dan ilmuwan material.

Masalah menciptakan struktur nano dengan sifat tertentu dan ukuran terkendali adalah salah satu masalah terpenting abad ke-21. Solusinya akan merevolusi bidang elektronik, ilmu material, mekanika, kimia, kedokteran dan biologi.

Carbon nanotube (CNTs) adalah sistem makromolekul yang unik. Diameter nanometernya yang sangat kecil dan panjang mikron yang besar menunjukkan bahwa strukturnya paling dekat dengan sistem satu dimensi (ID) yang ideal. Oleh karena itu, CNT adalah objek ideal untuk menguji teori fenomena kuantum, khususnya transpor kuantum dalam sistem solid-state berdimensi rendah. Mereka stabil secara kimia dan termal hingga setidaknya 2000 K, memiliki konduktivitas termal yang sangat baik, dan kekuatan serta karakteristik mekanis yang unik.

Kesederhanaan struktur nanotube memungkinkan pengembangan model teoretis dari struktur yang dibuat darinya. Oleh karena itu, aplikasi baru yang tidak terduga menunggu CNT di masa depan, terutama untuk aplikasi dalam biologi (manipulasi molekul di dalam sel, jaringan saraf tiruan, memori nanomekanis, dll.).

1. Nanotube berdinding tunggal

1.1 Pembukaan

Pada awal tahun 1993, beberapa kelompok ilmuwan mengumumkan bahwa bahan asing dapat tertanam dalam partikel nano karbon atau tabung nano menggunakan elektroda yang dimodifikasi melalui proses penguapan busur. Kelompok Rodney Ruoff di California dan kelompok Yahachi Saito di Jepang memperoleh kristal LaC 2 yang dienkapsulasi menggunakan elektroda yang didoping lantanum, sementara Suppapan Serafin dan rekannya melaporkan bahwa YC 2 dapat dimasukkan ke dalam tabung nano menggunakan elektroda yang mengandung yttrium. Pekerjaan ini membuka bidang baru berdasarkan nanopartikel dan nanotube sebagai “wadah molekuler”, namun secara tidak langsung juga menghasilkan penemuan yang sangat berbeda dengan penerapan yang sama pentingnya.

Donald Bethune dan rekan-rekannya di IBM Almaden Research Center di San Luis, California, menjadi sangat tertarik dengan artikel Ruoff dan lainnya. Kelompok ini sedang mengerjakan bahan magnetik dalam aplikasinya pada penyimpanan informasi dan percaya bahwa kristalit logam transisi feromagnetik yang dienkapsulasi karbon bisa sangat berharga dalam bidang ini. Dalam bahan tersebut, partikel logam yang dienkapsulasi harus mempertahankan momen magnetnya dan pada saat yang sama diisolasi secara kimia dan magnetis dari partikel tetangganya. Selama beberapa tahun kelompok IBM ini mengerjakan "eshuedral fullerenes"; fullerene mengandung sejumlah kecil atom logam di dalamnya. Namun kelompok besar atau kristal di dalam sel mirip fullerene bisa menjadi kepentingan praktis terbesar. Oleh karena itu Bethune memutuskan untuk mencoba beberapa eksperimen penguapan busur menggunakan elektroda yang diresapi dengan logam transisi feromagnetik besi, kobalt, dan nikel. Namun, hasil percobaan ini sama sekali tidak seperti yang diharapkan. Pertama-tama, jelaga yang dihasilkan oleh penguapan busur tidak sama dengan bahan biasa yang dihasilkan oleh penguapan busur grafit murni. Lapisan jelaga menggantung seperti jaring laba-laba di dinding ruangan, sedangkan material yang menempel di dinding bertekstur karet dan dapat dikikis menjadi potongan-potongan. Ketika Bethune dan rekannya Robert Beyers menguji material baru yang aneh ini menggunakan mikroskop elektron resolusi tinggi, mereka terkejut menemukan bahwa material tersebut mengandung banyak nanotube dengan dinding yang sama dengan satu lapisan atom. Pipa-pipa indah ini dicampur dengan jelaga amorf dan partikel logam atau logam karbida yang menopang material dalam bentuk yang sesuai dengan teksturnya yang aneh. Karya ini diterima untuk dipublikasikan di Nature dan muncul pada bulan Juni 1993. Mikrograf dari artikel ini ditunjukkan pada Gambar 1.1.

Gambar 1.1 - Cuplikan dari karya Bethune dkk yang menunjukkan tabung nano karbon berdinding tunggal yang dihasilkan oleh penguapan bersama grafit dan kobalt. Tabung memiliki diameter sekitar 1,2 nm.

Terlepas dari kelompok Amerika, Sumio Iijima dan Toshinari Ichihashi dari NEC Laboratories di Jepang juga bereksperimen dengan penguapan busur menggunakan elektroda yang dimodifikasi. Selain itu, mereka tertarik pada efek perubahan atmosfer di dalam ruang penguapan busur. Seperti Bethune dan rekan-rekannya, mereka menemukan bahwa dalam kondisi tertentu dihasilkan jenis jelaga yang sangat berbeda, berbeda dari jelaga yang biasanya terbentuk melalui penguapan busur. Untuk penelitian ini, ilmuwan Jepang memasukkan besi ke dalam elektroda mereka dan menggunakan campuran metana dan argon sebagai pengganti helium sebagai atmosfernya. Ketika diperiksa dengan mikroskop elektron resolusi tinggi, ditemukan bahwa bahan penguapan busur tersebut mengandung tabung nano yang sangat luar biasa, meregang seperti benang di antara kelompok bahan amorf atau partikel logam. Nanotube berdinding tunggal berbeda dari yang dihasilkan oleh penguapan busur terus menerus karena memiliki distribusi diameter yang sangat sempit. Dalam kasus pipa "biasa", diameter bagian dalam berkisar antara 1,5 hingga 15 nm, dan diameter luar berkisar antara 2,5 hingga 30 nm. Di sisi lain, nanotube berdinding tunggal semuanya memiliki diameter yang sangat mirip. Dalam materi yang ditulis oleh Bethune dan rekannya, tabung nano memiliki diameter 1,2 (±0,1) nm, sedangkan Iijimai Ichihashi menemukan bahwa diameter tabung berkisar antara 0,7 hingga 1,6 nm, berpusat pada sekitar 1,05 nm. Seperti tabung yang dihasilkan oleh penguapan busur konvensional, tabung nano berdinding tunggal semuanya ditutup, dan tidak ada bukti adanya partikel katalis logam di ujung tabung ini. Namun, diyakini bahwa pertumbuhan nanotube berdinding tunggal pada dasarnya bersifat katalitik.

1.2 Pekerjaan selanjutnya pada nanotube berdinding tunggal

Menindaklanjuti penelitian fundamental awal, Donald Bethune dan rekan-rekannya di IBM di San Jose, bekerja sama dengan para ilmuwan dari Caltech, Polytechnic Institute dan Virginia State University, melakukan serangkaian penelitian tentang pembuatan nanotube berdinding tunggal menggunakan berbagai macam bahan. “katalis.” Dalam salah satu seri pertama, mereka menunjukkan bahwa menambahkan belerang dan kobalt ke anoda (baik sebagai S murni atau CoS) menghasilkan nanotube dengan rentang diameter yang lebih luas dibandingkan yang diproduksi dengan kobalt saja. Jadi, tabung nano berdinding tunggal dengan diameter 1 hingga 6 nm diperoleh ketika belerang ditemukan di katoda, dibandingkan dengan 1-2 nm dalam kasus kobalt murni. Belakangan diketahui bahwa bismut dan timbal juga dapat mendorong pembentukan pipa berdiameter besar.

Pada tahun 1997, sebuah kelompok Perancis menunjukkan bahwa bahkan dengan penguapan busur, hasil nanotube yang tinggi dapat dicapai. Metode mereka mirip dengan teknik asli Bethune dan rekan-rekannya, namun mereka menggunakan geometri reaktor yang sedikit berbeda. Selain itu, katalis yang digunakan adalah campuran nikel/yttrium dan bukan kobalt yang disukai oleh kelompok Bethune. Ditemukan bahwa jumlah terbesar nanotube terbentuk di “kerah” di sekitar deposit katoda, yang merupakan sekitar 20% dari total massa material yang diuapkan. Hasil lengkap pipa diperkirakan mencapai 70-90%. Pemeriksaan bahan kerah dengan mikroskop elektron resolusi tinggi menunjukkan adanya banyak kumpulan tabung dengan diameter sekitar 1,4 nm. Hasil dan tampilan pipa yang dihasilkan mirip dengan sampel "bundel" kelompok Smalley yang menggunakan evaporasi laser.

Pada akhir tahun 1993, Shekhar Subramoni dari DuPont di Wilmington, Delaware, bekerja sama dengan para peneliti di SPI International, menjelaskan pembuatan nanotube berdinding tunggal dengan cara yang berbeda. Para ilmuwan ini menggunakan penguapan busur menggunakan elektroda berisi gadolinium untuk mengumpulkan jelaga dari dinding reaktor. Seiring dengan sejumlah besar karbon amorf, jelaga mengandung struktur tipe "landak laut" yang berisi tabung nano berdinding tunggal yang tumbuh pada partikel gadolinium karbida yang relatif besar (dengan dimensi tipikal puluhan nanometer). Pipa semacam itu lebih pendek dibandingkan pipa yang diperoleh dari logam golongan besi, tetapi memiliki kisaran diameter yang sama. Penelitian selanjutnya menunjukkan bahwa nanotube berdinding tunggal radial dapat terbentuk pada berbagai logam lain, termasuk lantanum dan yttrium. Gambar 1.2, diambil dari karya Saito dan rekannya, menunjukkan gambar khas nanotube berdinding tunggal yang tumbuh secara radial dari partikel yang mengandung lantanum. Berbeda dengan logam golongan besi, unsur tanah jarang tidak dikenal sebagai katalis untuk produksi nanotube berdinding banyak, sehingga pembentukan tabung pada nanotube tersebut cukup mengejutkan. Fakta bahwa tabung tumbuh pada partikel yang relatif besar menunjukkan bahwa mekanisme pertumbuhan ini berbeda. Telah dikemukakan bahwa pertumbuhan tabung pada permukaan partikel mungkin melibatkan pelepasan atom karbon jenuh dari bagian dalam partikel karbida. Perhatikan bahwa pertumbuhan radial tabung multilayer partikel katalitik diamati bertahun-tahun yang lalu oleh Baker dan lain-lain.

Metode yang dibahas sejauh ini untuk memproduksi nanotube berdinding tunggal termasuk penguapan busur menggunakan elektroda yang dimodifikasi. Karya Smalley dan rekan-rekannya menunjukkan bahwa nanotube berdinding tunggal juga dapat disintesis menggunakan metode katalitik murni. Katalisnya, menggunakan partikel molibdenum dengan diameter beberapa nanometer, terletak pada aluminium. Ini semua ditempatkan di dalam tungku berbentuk tabung, di mana karbon monoksida dilewatkan pada suhu 1200 °C. Suhu ini jauh lebih tinggi daripada yang biasanya digunakan dalam produksi katalitik nanotube, yang mungkin menjelaskan mengapa nanotube berdinding tunggal daripada berdinding banyak terbentuk.

Pipa satu lapis yang dibuat secara katalitik memiliki sejumlah fitur menarik yang membedakannya dari pipa yang disintesis dengan penguapan busur. Pertama, pipa katalitik biasanya memiliki partikel logam kecil yang menempel di ujungnya, seperti pipa multilapis yang dihasilkan oleh katalisis. Terdapat juga rentang diameter partikel yang luas (kira-kira 1-5 nm), dan tampaknya diameter setiap tabung ditentukan oleh diameter partikel katalis yang bersangkutan. Terakhir, pipa satu lapis yang dibentuk secara katalitik biasanya diisolasi daripada dibundel, seperti halnya pipa evaporasi busur.

Pengamatan ini mengarahkan Smalley dan rekan-rekannya untuk mengusulkan mekanisme pertumbuhan tabung yang dibentuk secara katalitik yang melibatkan pembentukan awal tutup satu lapis (yang mereka sebut yarmulke, nama Ibrani untuk kopiah), diikuti dengan pertumbuhan tutup ini sebagai itu terlepas dari partikel katalitik, yang kemudian meninggalkan tabung. Mekanisme ini benar-benar berbeda dari yang mereka usulkan untuk pertumbuhan pipa satu lapis dengan penguapan laser.

Gambar 1.2 - Nanotube berdinding tunggal yang tumbuh pada partikel lantanum

Gambar 1.3 - Gambar TEM sampel dari “bundel” nanotube berdinding tunggal (a)

Gambar beresolusi rendah menunjukkan sejumlah besar kumpulan, (b) Mikrograf beresolusi tinggi dari kumpulan individu ditampilkan di sepanjang sumbunya.

1.3 "bundel" tabung nano

Sejak penemuan C60 di Rais pada tahun 1985, kelompok Smalley telah berfokus pada penggunaan laser dalam sintesis bahan mirip fullerene. Pada tahun 1995, mereka melaporkan perkembangan teknologi sintesis laser, yang memungkinkan mereka memperoleh nanotube berdinding tunggal dengan hasil tinggi. Perbaikan selanjutnya pada metode ini menghasilkan produksi nanotube berdinding tunggal dengan diameter yang sangat seragam. Hasil terbaik dari nanotube berdinding tunggal yang seragam diperoleh dengan campuran katalitik yang terdiri dari bagian Co dan Ni yang sama, dan pulsa ganda digunakan untuk memastikan penguapan yang lebih seragam dari target tersebut.

Beberapa mikrograf material yang diperoleh dengan teknologi ini ditunjukkan pada Gambar 1.3. Secara umum tampilannya sangat mirip dengan material evaporasi busur. Namun, masing-masing pipa cenderung membentuk "bundel" atau bundel memanjang yang terdiri dari pipa-pipa individual dengan diameter yang sama. Kadang-kadang berkas yang melintas pada jarak dekat dari arah berkas elektron dapat dideteksi, sehingga dapat terlihat “ujung ke ujung”, seperti pada Gambar 1.3(b). Selain mikroskop elektron, Smalley dan rekannya melakukan pengukuran difraksi sinar-X pada sampel tali bekerja sama dengan John Fisher dan rekan penulisnya di Pennsylvania State University. Refleksi yang terdefinisi dengan baik dari kisi dua dimensi diperoleh, memastikan bahwa pipa-pipa tersebut memiliki diameter yang sama. Kesepakatan yang baik ditemukan dengan data eksperimen dengan asumsi bahwa diameter nanotube adalah 1,38 nm dengan kesalahan ±0,02 nm. Kesenjangan van der Waals antara tabung ditemukan 0,315 nm, mirip dengan kristal C60. Dari studi XRD, disimpulkan bahwa bundel ini sebagian besar terdiri dari (10,10) nanotube kursi berlengan. Hal ini secara jelas dikonfirmasi oleh pengukuran nanodifraksi elektron pada berkas elektron, sehingga dapat terlihat “ujung ke ujung”, seperti pada Gambar 1.3(b).

2. Teori pertumbuhan nanotube

2.1 Catatan umum

Penting untuk terlebih dahulu mempertimbangkan pengaruhnya terhadap pertumbuhan struktur pipa. Dalam makalah Nature tahun 1991, Iijima menunjukkan bahwa struktur heliks tampaknya lebih disukai karena tabung semacam itu mempunyai nada yang berulang pada ujung tumbuhnya. Asumsi ini, diilustrasikan pada Gambar 2, sangat mirip dengan penampakan dislokasi ulir pada permukaan kristal. Nanotube kursi berlengan dan zigzag tidak memiliki struktur yang disukai untuk pertumbuhan dan harus memerlukan nukleasi berulang dari cincin segi enam baru. Hal ini menunjukkan bahwa nanotube heliks harus diamati lebih sering daripada nanotube kursi atau zigzag, meskipun saat ini tidak ada bukti eksperimental yang cukup untuk mendukung hal ini.

Gambar 2. - Gambar dua pipa spiral konsentris, menunjukkan adanya anak tangga pada ujung tumbuhnya (5)

Selanjutnya, ada pertanyaan yang sangat penting mengenai mekanisme pertumbuhan - apakah tabung tumbuh memiliki ujung tertutup atau terbuka? Model awal pertumbuhan nanotube, pertama kali diusulkan oleh Endo dan Kroto, lebih menyukai mekanisme tertutup. Mereka berasumsi bahwa atom karbon dapat dimasukkan ke dalam permukaan fullerene tertutup di lokasi sekitar cincin pentagonal, diikuti dengan transisi ke keadaan setimbang, yang akan menghasilkan peregangan terus menerus dari fullerene asli. Untuk mendukung gagasan ini, Endo dan Croteau mengutip demonstrasi Ulmer dan rekannya bahwa C60 dan C70 jelas dapat tumbuh menjadi fullerene besar ketika fragmen karbon kecil ditambahkan.

Meskipun mekanisme Endo-Croteau memberikan penjelasan yang masuk akal untuk pertumbuhan nanotube berdinding tunggal, namun tetap menjadi tantangan besar untuk menjelaskan pertumbuhan multilayer. Dalam pertimbangan mereka, model Endo dan Croteau menyarankan bahwa pertumbuhan multilapis dapat terjadi “secara epitaksi.” Jika demikian halnya, tampaknya tidak ada alasan yang jelas mengapa lapisan kedua tidak mulai tumbuh segera setelah fullerene awal terbentuk, dan setelah lapisan kedua ditutup, perluasan lebih lanjut dari ban dalam menjadi tidak mungkin dilakukan. Namun hal ini bertentangan dengan pengamatan bahwa sebagian besar pipa memiliki banyak lapisan di sepanjang panjangnya. Model seperti ini juga mempunyai kesulitan dalam menjelaskan struktur beberapa kompartemen. Oleh karena itu, mekanisme pertumbuhan tertutup Endo-Croto belum diterima secara luas.

Kesimpulan bahwa mekanisme pertumbuhan harus terjadi dengan ujung pipa terbuka dalam beberapa hal lebih disukai. Seperti yang dikatakan Richard Smalley, "Jika kita telah mempelajari sesuatu sejak tahun 1984-1985 tentang bagaimana karbon mengembun, maka lembaran terbuka harus siap menghubungkan segi lima untuk menghilangkan ikatan yang menjuntai." Masalah pipa yang tersisa dengan ujung terbuka dalam kondisi yang memungkinkan untuk ditutup adalah salah satu masalah yang telah dipertimbangkan oleh sejumlah penulis.

2.2 Mengapa nanotube tetap terbuka selama pertumbuhan

Beberapa penulis, terutama Smalley dan rekannya, berpendapat bahwa medan listrik di busur mungkin memainkan peran penting dalam menjaga tabung tetap terbuka selama pertumbuhan. Lebih tepatnya, ini seharusnya membantu memahami mengapa nanotube tidak pernah ditemukan dalam jelaga yang terkondensasi di dinding ruang penguapan busur. Namun, perhitungan telah menunjukkan bahwa penurunan energi ujung terbuka yang disebabkan oleh medan tidak cukup untuk menstabilkan konfigurasi terbuka, kecuali pada medan tinggi yang tidak realistis. Oleh karena itu, model elegan dikembangkan di mana atom "dilas titik" di antara lapisan-lapisannya, membantu menstabilkan pembentukan ujung terbuka daripada menutupnya.

Ide ini dikonfirmasi oleh percobaan penutupan nanotube berdinding individu dengan dan tanpa penerapan perbedaan tegangan. Model seperti itu dapat membantu memahami pertumbuhan nanotube dalam busur, namun tidak dapat diterapkan pada kasus pertumbuhan pipa, di mana tidak terdapat medan listrik yang kuat. Hal ini menyebabkan beberapa penulis mengusulkan bahwa interaksi antara tabung konsentris terintegrasi saja mungkin penting untuk menstabilkan tabung terbuka.

Analisis rinci tentang interaksi dua pipa gabungan dilakukan oleh Jean-Christophe Charlier dan rekannya menggunakan metode dinamika molekuler. Mereka mengamati pipa (10,0) di dalam pipa (18,0) dan menemukan bahwa sambungan penghubung terbentuk di antara ujung kedua pipa. Ditemukan bahwa pada suhu tinggi (3000 K) konfigurasi struktur ikatan kohesif berfluktuasi terus menerus. Diasumsikan bahwa struktur yang berfluktuasi akan menciptakan situs aktif untuk adsorpsi dan masuknya atom karbon baru, sehingga mendorong pertumbuhan pipa.

Masalah dengan teori ini adalah teori ini tidak dapat menjelaskan pertumbuhan pipa berdinding tunggal berdiameter besar di bawah pengaruh termal pada jelaga fullerene. Secara umum, saat ini tampaknya belum ada penjelasan lengkap mengenai pertumbuhan nanotube terbuka.

2.3 Sifat plasma busur

Sebagian besar model pertumbuhan nanotube yang dibahas sebelumnya mengasumsikan bahwa tabung berinti dan tumbuh di busur plasma. Namun, beberapa penulis telah mempertimbangkan keadaan fisik plasma itu sendiri dan perannya dalam pembentukan nanotube. Pembahasan paling detail mengenai masalah ini dilakukan oleh Evgeniy Gamaley, pakar fisika plasma, dan Thomas Ebbesen (30, 31). Ini adalah masalah yang kompleks dan hanya ringkasan singkat yang dapat diberikan di sini.

Gamaley dan Ebbesen memulai dengan asumsi bahwa nanotube dan nanopartikel terbentuk di daerah busur dekat permukaan katoda. Jadi mereka menganalisis kepadatan dan kecepatan uap karbon di area tersebut, dengan mempertimbangkan suhu dan sifat busur itu sendiri, untuk mengembangkan modelnya. Mereka meyakini bahwa pada lapisan uap karbon dekat permukaan katoda akan terdapat dua kelompok partikel karbon dengan distribusi kecepatan berbeda. Ide ini penting bagi model pertumbuhan mereka. Satu kelompok partikel karbon harus memiliki Maxwellian, yaitu. distribusi kecepatan isotropik sesuai dengan suhu busur (~ 4000 K). Kelompok lainnya terdiri dari ion-ion yang mengalami percepatan pada celah antara muatan ruang positif dan katoda. Kecepatan partikel karbon ini harus lebih besar daripada kecepatan partikel termal, dalam hal ini alirannya harus terarah dan bukan isotropik. Proses pembentukan nanotube (dan nanopartikel) dianggap sebagai serangkaian siklus yang masing-masing terdiri dari langkah-langkah berikut:

1.Pembentukan embrio. Pada awal proses pelepasan, distribusi kecepatan karbon pada lapisan yang diuapkan sebagian besar bersifat Maxwellian, dan hal ini mengarah pada pembentukan struktur tanpa sumbu simetri, seperti nanopartikel. Ketika arus menjadi lebih terarah, struktur terbuka mulai terbentuk, yang dianggap oleh Gamaley dan Ebbesen sebagai benih untuk pertumbuhan nanotube.

2. Pertumbuhan pipa pada saat debit stabil. Ketika pelepasan stabil, aliran ion karbon menembus lapisan uap dengan arah tegak lurus permukaan katoda. Partikel karbon ini akan berkontribusi pada pemanjangan nanotube berdinding tunggal dan berdinding banyak. Karena interaksi partikel karbon terarah dengan permukaan padat harus lebih intens daripada partikel karbon pada lapisan uap, pertumbuhan struktur yang diperluas harus didahulukan daripada pembentukan struktur isotropik. Namun, kondensasi karbon dari lapisan uap pada permukaan katoda akan berkontribusi terhadap penebalan nanotube.

3.Akhir pertumbuhan dan penutupan. Gamaley dan Ebbesen mencatat bahwa nanotube sering terlihat tumbuh dalam bundel dan dalam bundel yang diamati untuk semua tabung, pertumbuhan dan penghentian terjadi pada waktu yang hampir bersamaan. Hal ini membuat mereka curiga bahwa terjadi ketidakstabilan pada pelepasan busur, yang dapat menyebabkan berakhirnya pertumbuhan nanotube secara tiba-tiba. Ketidakstabilan tersebut dapat terjadi karena pergerakan titik katoda yang tidak stabil di sepanjang permukaan katoda atau karena gangguan spontan dan penyalaan busur. Dalam keadaan seperti itu, partikel karbon dengan distribusi kecepatan Maxwellian akan kembali mendominasi, dan kondensasi karbon tersebut pada akhirnya akan menyebabkan tertutupnya pipa dan berakhirnya pertumbuhan.

2.4 Model alternatif

Para ilmuwan telah menyajikan teori yang sangat berbeda tentang pertumbuhan nanotube selama penguapan busur. Dalam model ini, nanotube dan nanopartikel tidak tumbuh di plasma busur, melainkan terbentuk di katoda sebagai hasil transformasi keadaan padat. Dengan demikian, pertumbuhan nanotube bukanlah konsekuensi dari aksi medan listrik, namun hanyalah hasil dari pemanasan yang sangat cepat hingga suhu tinggi yang dialami oleh material yang diendapkan pada katoda selama aksi busur. Ide ini dimulai dengan pengamatan bahwa nanotube dapat dibuat dengan paparan termal suhu tinggi dari karbon hitam fullerene dan membayangkan proses dua langkah untuk menumbuhkan nanotube di mana karbon hitam fullerene merupakan produk antara. Model tersebut dapat digeneralisasikan sebagai berikut. Selama tahap awal penguapan busur, material seperti fullerene (ditambah fullerene) harus mengembun di katoda, dan kemudian material yang terkondensasi harus terkena suhu tinggi seiring proses busur berlanjut, yang mengarah pada pembentukan lapisan tunggal pertama, tabung nano. struktur mirip, dan kemudian nanotube berdinding banyak. Dalam model dua tahap ini, tindakan kuncinya adalah anil jelaga fullerene. Dengan demikian, jelaga yang mengendap di dinding reaktor yang mengalami anil yang relatif lemah tidak diubah menjadi pipa. Di sisi lain, jelaga yang mengembun di katoda harus mengalami anil yang signifikan: hal ini akan mengarah pada pembentukan pipa dan nanopartikel dalam bentuk massa padat. Oleh karena itu, model seperti itu memungkinkan kita untuk menjelaskan pengaruh variabel seperti pendinginan elektroda dan tekanan helium pada produksi nanotube. Tampaknya pendinginan air sangat penting untuk menjaga suhu katoda tetap rendah pada tingkat yang diperlukan untuk menghindari terak pada tabung. Demikian pula, peran helium dapat dijelaskan dalam kaitannya dengan pengaruhnya terhadap suhu deposit katoda. Karena helium merupakan konduktor panas yang sangat baik, tekanan tinggi akan menyebabkan suhu elektroda menurun, menyebabkannya turun ke wilayah di mana pertumbuhan nanotube dapat terjadi tanpa slagging.

2.5 Pertumbuhan nanotube berdinding tunggal

Kami pertama-tama mempertimbangkan pertumbuhan nanotube berdinding tunggal dalam evaporator busur. Proses ini menimbulkan pertanyaan yang tidak kalah pentingnya dengan pertumbuhan nanotube berdinding banyak dalam bentuk busur. Di antara yang paling jelas adalah sebagai berikut: Mengapa hanya nanotube berdinding tunggal yang diamati? Mengapa distribusi diameter pipa begitu sempit? Apa peran logam? Mengapa pipa paling sering tumbuh dalam bentuk tandan? Sekali lagi, kita hanya punya sedikit jawaban pasti atas pertanyaan-pertanyaan ini.

Satu hal yang tampak jelas adalah bahwa pertumbuhan nanotube berdinding tunggal sebagian besar harus diatur oleh kinetika daripada termodinamika, karena tabung dengan diameter yang sangat kecil diperkirakan kurang stabil dibandingkan tabung dengan diameter besar. Tidak adanya banyak lapisan juga diduga dibatasi oleh faktor kinetik. Mengenai peran logam, baik Bethune dan rekan-rekannya serta Iijima dan Ichihashi mengusulkan bahwa atom logam individu atau kelompok kecil dari mereka dapat bertindak sebagai katalis untuk pertumbuhan fase uap, analog dengan cara partikel logam kecil mengkatalisis pertumbuhan pipa multilayer. . Keterlibatan atom individu atau kelompok yang terdefinisi dengan baik akan membantu menjelaskan distribusi ukuran yang sempit. Namun yang mengejutkan, spesies katalitik tampaknya tidak pernah diamati di bagian atas tabung nano berdinding tunggal. Bahkan jika partikel katalitik adalah atom tunggal, mereka dapat dideteksi dengan mikroskop elektron resolusi tinggi atau pemindaian mikroskop elektron transmisi (STEM). Ada kemungkinan bahwa atom atau partikel katalitik akan terlepas selama penutupan pipa. Seperti disebutkan di atas, Bethune dan rekannya menunjukkan bahwa penambahan unsur seperti belerang ke logam dapat sangat mengganggu distribusi diameter pipa. Studi lebih lanjut mengenai fenomena ini dapat memberikan penjelasan yang berguna mengenai mekanisme pertumbuhan.

Salah satu dari beberapa upaya untuk mengembangkan model rinci untuk pertumbuhan nanotube berdinding tunggal dilakukan oleh Ching-Hwa Kiang dan William Goddard. Para peneliti ini menyarankan bahwa cincin poliena paripurna dapat berfungsi sebagai inti untuk pembentukan nanotube berdinding tunggal. Telah terbukti bahwa struktur cincin seperti itu seharusnya menjadi partikel dominan dalam pasangan karbon, sedangkan struktur rangka tertutup mendominasi pada ukuran yang lebih besar. Telah didalilkan bahwa cincin karbon mungkin merupakan prekursor dalam pembentukan fullerene, meskipun hal ini masih kontroversial. Kiang dan Goddard percaya bahwa bahan awal untuk pembentukan nanotube berdinding tunggal adalah cincin karbon monosiklik dan kelompok fase gas kobalt karbida, yang mungkin bermuatan. Gugus kobalt karbida bertindak sebagai katalis ketika menempel pada cincin C2 atau spesies lainnya. Para penulis ini menyarankan bahwa konformasi spesifik harus mempengaruhi struktur nanotube yang baru lahir.

Smalley dan rekannya, setelah sintesis kumpulan nanotube, mengusulkan mekanisme pertumbuhan yang memiliki beberapa kesamaan dengan mekanisme Kiang dan Goddard. Model ini didasarkan pada asumsi bahwa semua pipa mempunyai struktur kursi berlengan (10,10) yang sama. Struktur unik ini memungkinkan cincin heksagonal terbuka untuk "direntang" oleh ikatan rangkap tiga, meskipun cincin tersebut harus mengalami regangan yang signifikan dibandingkan dengan susunan linier aslinya. Kelompok Smalley kemudian berhipotesis bahwa satu atom nikel akan teradsorpsi secara kimiawi ke ujung tabung dan "berlari" mengelilingi pinggirannya (Gambar 2.1), membantu memposisikan atom karbon yang masuk pada cincin heksagonal. Setiap struktur suboptimal lokal, termasuk segi lima, akan dipantulkan, sehingga pipa seperti itu akan terus tumbuh tanpa batas.

Di sini, serta mekanisme lain yang diusulkan untuk pertumbuhan nanotube berdinding tunggal, tidak ada bukti eksperimental langsung.

Gambar 2.1 - Ilustrasi mekanisme “skuter” selama pertumbuhan (10,10) nanotube kursi berlengan.

Sejumlah kelompok ilmiah di seluruh dunia telah mencoba memurnikan sampel nanotube menggunakan metode seperti sentrifugasi, filtrasi, dan kromatografi. Beberapa metode ini melibatkan persiapan awal suspensi koloid dari bahan yang mengandung nanotube menggunakan surfaktan. Misalnya, Jean-Marc Bonard dan rekannya menggunakan surfaktan anionik natrium dodecacyclosulfate (SDS) untuk mencapai suspensi nanotube dan nanopartikel yang stabil dalam air. Awalnya, metode filtrasi digunakan untuk memisahkan nanotube dari nanopartikel, namun pemisahan yang lebih sukses dicapai hanya dengan membiarkan nanotube jatuh sebagai flok, meninggalkan nanopartikel dalam suspensi. Sedimen kemudian dapat dihilangkan dan prosedur sedimentasi lebih lanjut dapat dilanjutkan. Hal ini tidak hanya memungkinkan nanopartikel diekstraksi, tetapi juga menyebabkan pemisahan pipa sepanjang panjangnya.

Metode lain untuk mencapai pemisahan ukuran nanotube dijelaskan oleh Duisberg dan rekannya dari Max Planck Institute di Stuttgart dan Trinity College Dublin. Pemisahan pipa dan material lainnya kembali diperoleh di SDN Asam. Pemisahan kemudian dilakukan dengan menggunakan kromatografi eksklusi ukuran (SEC). Teknologi ini telah banyak digunakan untuk memisahkan makromolekul biologis, dan penulis menunjukkan bahwa sampel tabung nano dapat berhasil dipisahkan menjadi pecahan dengan panjang tabung berbeda. Salah satu kelemahan penggunaan sufaktan seperti SDN dalam pemurnian nanotube adalah jejak sufiktan mungkin tertinggal dalam produk akhir. Namun, Bonard dan rekannya menunjukkan bahwa tingkat SDN di bawah 0,1% dapat dikurangi dengan mencuci.

3. Membersihkan Pipa Satu Lapis

Metode untuk membersihkan tabung berdinding tunggal juga telah dikembangkan, meskipun prosesnya memerlukan lebih banyak usaha dibandingkan dengan tabung nano berdinding banyak. Selain karbon amorf dalam jumlah besar, tabung nano yang mengandung karbon hitam juga mengandung partikel logam, yang sering kali dilapisi dengan karbon. Selain itu, metode oksidasi keras yang digunakan untuk membersihkan tabung nano berdinding banyak juga merusak tabung berdinding tunggal.

Ilmuwan Jepang menjelaskan langkah demi langkah proses penghapusan berbagai kotoran secara berurutan. Langkah pertama adalah mencuci jelaga mentah dengan air suling selama 12 jam, dilanjutkan dengan penyaringan dan pengeringan. Prosedur ini memungkinkan penghilangan beberapa partikel grafit dan karbon amorf. Fullerene dicuci dengan toluena dalam peralatan Soxclet. Kemudian jelaga dipanaskan hingga suhu 470°C di udara selama 20 menit untuk menghilangkan partikel logam. Terakhir, sisa jelaga dikenai asam perklorat untuk melarutkan partikel logam. Pemeriksaan produk akhir dengan mikroskop elektron dan difraksi sinar-X menunjukkan bahwa sebagian besar kontaminan telah dihilangkan, meskipun beberapa nanopartikel terisi dan kosong tetap ada.

Smalley dan rekannya mengembangkan metode untuk memurnikan sampel nanotube dari bundel menggunakan mikrofiltrasi. Mereka adalah orang pertama yang menjelaskan teknik penggunaan surfaktan kationik untuk menyiapkan suspensi nanotube dan bahan pendampingnya dalam larutan, dan kemudian menyimpan nanotube pada membran. Namun, penyaringan berulang dengan pembuatan suspensi setelah setiap penyaringan diperlukan untuk mencapai tingkat pemurnian yang signifikan, sehingga prosedur tersebut menjadi sangat lambat dan tidak efektif. Metode yang lebih baik dijelaskan dalam makalah yang menggunakan ultrasonikasi, menjaga bahan tetap tersuspensi selama filtrasi dan dengan demikian memungkinkan proses filtrasi berkelanjutan pada sampel dalam jumlah besar. Dengan cara ini, hingga 150 mlg jelaga dapat dimurnikan dalam waktu 3-6 jam untuk mendapatkan bahan yang mengandung lebih dari 90% SWNT.

Tabung satu lapis juga dapat dibersihkan menggunakan kromatografi; Duisburg dkk menjelaskan metode yang serupa dengan yang digunakan untuk MWNT dan menunjukkan efektivitasnya untuk SWNT.

4. Penyelarasan Sampel Nanotube

plasma seperti karbon nanotube fullerene

Banyak metode preparasi yang dijelaskan di atas menghasilkan sampel dengan nanotube yang berorientasi acak. Meskipun pipa-pipa sering kali dikelompokkan menjadi beberapa bundel, kumpulan-kumpulan itu sendiri umumnya tidak sejajar satu sama lain. Untuk mengukur sifat-sifat tabung nano, akan sangat berguna jika memiliki sampel yang semua tabungnya disejajarkan dalam arah yang sama. Meskipun metode katalitik untuk menyiapkan pipa yang selaras telah dijelaskan, teknologi untuk menyelaraskan sampel pipa juga perlu dikembangkan setelah sintesisnya. Jadi, salah satu metode pertama diusulkan pada tahun 1995 oleh sekelompok dari Ecole Polytechnic Federale Lausanne di Swiss. Mereka menggunakan sampel MWNT yang dibuat dengan penguapan busur yang telah dimurnikan dengan sentrifugasi dan filtrasi untuk menghilangkan nanopartikel dan kontaminan lainnya. Film tipis dari nanotube yang dimurnikan kemudian diendapkan ke permukaan plastik, dan gambar SEM menunjukkan bahwa tabung ini sejajar tegak lurus dengan film dalam keadaan terendapkan secara bebas. Ditemukan bahwa pipa-pipa tersebut dapat disejajarkan sejajar dengan permukaan sampel yang sebelumnya telah digosok ringan dengan Teflon atau aluminium foil. Penulis mengklaim bahwa film dapat dibuat "berukuran besar" dengan metode ini, dan mereka menggunakan film tersebut untuk melakukan eksperimen emisi lapangan.

Metode lain untuk menyelaraskan tabung nano adalah dengan menanamkan tabung ke dalam matriks dan kemudian mengekstrusi matriks tersebut dengan cara tertentu sehingga tabung menjadi sejajar dengan arah aliran.

5. Mengontrol Panjang Karbon Nanotube

Sebuah teknik untuk memotong nanotube berdinding tunggal menjadi panjang yang terkendali dijelaskan oleh para peneliti di Universitas Delft dan Rice pada akhir tahun 1997. Nanotube yang digunakan diproduksi dengan penguapan laser oleh kelompok Smalley dan disimpan pada permukaan kristal tunggal emas untuk diperiksa dengan pemindaian terowongan. mikroskopi. Ketika nanotube yang cocok diidentifikasi, pemindaian dihentikan dan ujung Pt/Ir dimajukan ke titik yang dipilih pada tabung itu. Kemudian umpan balik dimatikan, dan pulsa tegangan diterapkan antara ujung dan sampel untuk jangka waktu tertentu. Saat pemindaian dilanjutkan, kerusakan terlihat pada nanotube jika pemotongan berhasil. Telah dibuktikan bahwa masing-masing pipa dapat dipotong menjadi empat posisi individual. Telah ditemukan bahwa faktor kritis dalam proses pemotongan adalah tegangan daripada arus, tegangan minimum yang diperlukan untuk proses pemotongan harus 4V.

Dengan memotong nanotube individu menjadi pendek, penulis dapat menunjukkan bahwa sifat listrik dari tabung pendek berbeda dari nanotube asli. Perbedaan ini disebabkan oleh manifestasi efek ukuran kuantum.

Selain mengontrol panjang masing-masing nanotube, dimungkinkan untuk memotong sebagian besar sampel nanotube berdinding tunggal menjadi panjang pendek. Hal ini ditunjukkan pada tahun 1998 oleh kelompok Smalley. Cara paling efektif untuk mendapatkan sampel dari tabung pendek (disebut “tabung fullerene”) adalah dengan menyonikasikan bahan tabung nano dalam larutan asam sulfat dan asam nitrat. Selama pemaparan ini, tampak sonokimia yang setia menghasilkan lubang pada permukaan pipa, yang kemudian diserang oleh asam, membentuk "tabung" terbuka. Smalley dan rekan-rekannya menunjukkan bahwa tabung-tabung ini dapat diurutkan menjadi pecahan-pecahan dengan panjang yang berbeda-beda dengan metode yang dikenal sebagai fraksinasi aliran medan. Mereka juga mengisi ujung tabung nano yang terbuka ini dengan berbagai gugus fungsi dan menunjukkan bahwa partikel emas dapat menempel pada ujung tabung funudion. Karya ini dapat dianggap sebagai awal dari kimia organik baru berdasarkan tabung nano karbon.

6. Analisis Penelitian

Metode penguapan busur Iijima, Ebbesen dan Ajayan sejauh ini masih merupakan teknik terbaik untuk mensintesis nanotube berkualitas tinggi, namun memiliki sejumlah kelemahan. Pertama, hal ini memerlukan banyak tenaga kerja dan memerlukan keterampilan tertentu untuk mencapai tingkat reproduktifitas yang sesuai. Kedua, hasil yang diperoleh cukup rendah, karena lebih banyak karbon yang menguap disimpan di dinding ruang dibandingkan di katoda, dan tabung nano menjadi terkontaminasi dengan partikel nano dan fragmen grafit lainnya. Ketiga, ini lebih merupakan proses yang matang daripada proses yang berkesinambungan dan tidak mudah berskala. Jika nanotube ingin digunakan secara komersial dalam skala besar, metode persiapan yang berbeda mungkin perlu digunakan. Kemajuan ke arah ini terhambat oleh kurangnya pemahaman tentang mekanisme pertumbuhan tabung pada busur. Oleh karena itu, penelitian lebih lanjut yang secara khusus ditujukan untuk menjelaskan mekanisme pertumbuhan nanotube harus disambut baik.

Ada kelemahan serius lainnya dari metode penguapan busur dan semua teknologi terkini lainnya untuk menyiapkan nanotube berdinding banyak: metode ini menghasilkan berbagai ukuran dan struktur tabung. Hal ini dapat menjadi masalah tidak hanya untuk beberapa aplikasi, tetapi juga kerugian di bidang yang memerlukan struktur tubular tertentu, seperti nanoelektronik. Apakah mungkin untuk memprediksi jalur yang akan diambil oleh pipa dengan struktur tertentu untuk dipersiapkan? Mungkin hal ini dapat dicapai melalui penggunaan katalis secara kreatif.

Para peneliti telah menarik perhatian pada keseragaman yang lebih besar pada pipa berdinding tunggal dibandingkan pipa berdinding banyak, setidaknya dalam kaitannya dengan diameternya. Namun, metode yang langsung digunakan untuk mensintesis tabung berdinding tunggal lebih kompleks dibandingkan dengan tabung nano berdinding banyak. Teknik penguapan laser yang dikembangkan oleh kelompok Smoli menghasilkan bahan berkualitas terbaik dengan hasil tertinggi, namun laser berenergi tinggi yang diperlukan untuk metode ini tidak selalu tersedia di laboratorium rata-rata. Seperti halnya pipa multilayer, masa depan mungkin melibatkan metode katalitik, dan penelitian terkini dalam arah ini cukup menggembirakan. Pada akhirnya, ahli kimia organik diharapkan mampu menyelesaikan sintesis nanotube secara lengkap. Namun, harus diingat bahwa prospek ini mungkin masih jauh, karena sintesis lengkap C60 belum dilakukan.

Meskipun nanotube kualitas terbaik saat ini diproduksi menggunakan metode yang juga menghasilkan sejumlah besar bahan kontaminan, penting untuk dicatat bahwa ada metode untuk menghilangkan bahan ini. Untungnya, kemajuan signifikan baru-baru ini telah dicapai dalam bidang ini, dan berbagai metode kini tersedia untuk menghilangkan nanopartikel yang tidak diinginkan, karbon mikropori, dan kontaminan lainnya dari sampel nanotube berdinding banyak dan berdinding tunggal. Prosedur juga telah dikembangkan untuk penyelarasan dan pemotongan pipa hingga panjang yang terkendali. Teknologi ini akan memungkinkan kemajuan di bidang-bidang di mana kurangnya sampel yang murni dan dapat ditentukan dengan baik masih menjadi masalah serius.

Kesimpulan

Metode pembuatan nanotube, yang dijelaskan oleh Injima pada tahun 1991, memberikan hasil yang relatif buruk, sehingga studi lebih lanjut tentang struktur dan sifat-sifatnya menjadi sulit. Kemajuan penting terjadi pada bulan Juli 1992, ketika Thomas Ebessen dan Pulikel Ajayan, yang bekerja di laboratorium Jepang yang sama dengan Iijima, menjelaskan metode untuk menyiapkan nanotube dalam jumlah gram. Sekali lagi, ini merupakan penemuan yang tidak terduga: ketika mencoba menyiapkan turunan fullerene, Ebessen dan Ajayan menemukan bahwa peningkatan tekanan helium di ruang penguapan busur secara dramatis meningkatkan hasil nanotube yang terbentuk dalam jelaga katoda. Ketersediaan nanotube dalam jumlah besar telah menyebabkan peningkatan besar dalam laju penelitian di seluruh dunia.

Bidang lain yang menarik minat awal adalah gagasan menggunakan tabung nano karbon dan partikel nano sebagai "wadah molekul". Tonggak penting dalam arah ini adalah demonstrasi Ajayan dan Iijima bahwa tabung nano dapat diisi dengan timah cair dan dengan demikian dapat digunakan sebagai templat untuk "kawat nano". Selanjutnya, metode yang lebih terkontrol untuk membuka dan mengisi nanotube dikembangkan, memungkinkan berbagai bahan, termasuk bahan biologis, untuk ditempatkan di dalamnya. Pembukaan dan pengisian nanotube dapat menghasilkan sifat luar biasa yang dapat digunakan dalam katalisis atau sensor biologis. Partikel nano karbon terisi mungkin juga memiliki aplikasi penting di berbagai bidang seperti perekaman magnetik dan kedokteran nuklir.

Mungkin volume terbesar penelitian nanotube harus dikhususkan untuk sifat elektroniknya. Karya teoretis yang mendahului penemuan Iijima telah disebutkan di atas. Tak lama setelah surat Nature Iijima tahun 1991, dua makalah lain muncul tentang sifat elektronik tabung nano karbon. Tim MIT dan Noriaki Hamada serta rekannya dari laboratorium Iijima di Tsukuba melakukan penghitungan struktur pita menggunakan model ikatan ketat dan menunjukkan bahwa sifat elektronik bergantung pada struktur pipa dan diameternya. Prediksi luar biasa ini menghasilkan minat yang besar, namun upaya untuk menentukan sifat elektronik nanotube secara eksperimental menemui kesulitan besar. Namun baru pada tahun 1996 pengukuran eksperimental dilakukan pada nanotube individu yang dapat mengkonfirmasi prediksi teoritis. Hasil ini menunjukkan bahwa nanotube bisa menjadi komponen perangkat nanoelektronik masa depan.

Menentukan sifat mekanik karbon nanotube menimbulkan kesulitan besar, namun sekali lagi para peneliti menjawab tantangan tersebut. Pengukuran menggunakan mikroskop elektron transmisi dan mikroskop gaya atom telah menunjukkan bahwa sifat mekanik tabung nano karbon sama luar biasa dengan sifat elektroniknya. Akibatnya, minat terhadap penggunaan nanotube dalam material komposit meningkat.

Saat ini, berbagai kemungkinan penerapan nanotube lainnya mulai menarik perhatian. Misalnya, sejumlah ilmuwan sedang mengeksplorasi masalah penggunaan nanotube sebagai tip untuk memindai mikroskop probe. Dengan bentuknya yang memanjang, ujung runcing dan kekakuan tinggi, nanotube cocok untuk tujuan ini, dan percobaan awal di bidang ini menunjukkan hasil yang sangat mengesankan. Nanotube juga telah terbukti memiliki sifat emisi medan yang berguna, yang dapat menyebabkan penggunaannya pada layar panel datar. Penelitian tentang nanotube di mana-mana berkembang dengan kecepatan yang sangat tinggi, dan penerapan komersialnya tentu saja tidak akan lama lagi.

Bibliografi

1. P. Harris, Karbon nanotube dan struktur terkait. Materi baru abad XXI - M.: Tekhnosphere, 2003.

Diposting di Allbest.ru

Dokumen serupa

Struktur grafit, yang menentukan sifat listriknya. Tabung nano karbon berdinding tunggal dan berdinding banyak. Energi ikatan brom dengan lapisan grafit. Teknik eksperimental dan karakteristik instalasi. Deskripsi fenomenologis dari proses brominasi.

tugas kursus, ditambahkan 17/09/2011


Klasifikasi struktur nano karbon. Model pembentukan fullerene. Perakitan fullerene dari fragmen grafit. Mekanisme pembentukan nanopartikel karbon melalui kristalisasi cluster cair. Metode pembuatan, struktur dan sifat tabung nano karbon.

tugas kursus, ditambahkan 25/09/2009


Proses penyerapan pada batas fase sorbat-sorben. Metode untuk memproduksi bahan karbon berpori. Metode adsorpsi pengolahan air limbah. Reaksi dasar interaksi antar komponen campuran bahan organik pada proses kotermolisis.

tesis, ditambahkan 21/06/2015


Konsep dasar dan metode pengelasan pipa. Pemilihan baja untuk pipa gas. Mempersiapkan tepi pipa untuk pengelasan. Pemilihan bahan las. Persyaratan untuk perakitan pipa. Tes kualifikasi tukang las. Teknologi dan teknik pengelasan busur manual.

tesis, ditambahkan 25/01/2015


Sistem stabilisasi kecepatan putaran motor DC sebagai contoh penggunaan metode teori kendali otomatis. Sistem untuk menstabilkan arus tungku peleburan baja busur, kekuatan pemotongan proses melalui penggilingan tanpa pusat.

tugas kursus, ditambahkan 18/01/2013


Teknologi produksi pengelasan. Sejarah perkembangan produksi pengelasan. Kekhususan pengelasan busur argon dan ruang lingkup penerapannya. Aplikasi, kelebihan dan kekurangan pengelasan busur argon. Karakteristik komparatif peralatan untuk pengelasan jenis ini.

abstrak, ditambahkan 18/05/2012


Komposisi dan sifat baja. Informasi tentang kemampuan lasnya. Teknologi pembuatan sambungan las tumpang tindih antara dua lembar menggunakan las busur manual dan las gas pelindung dengan elektroda habis pakai. Pemilihan bahan las dan sumber tenaga busur las.

tugas kursus, ditambahkan 28/05/2015


Penentuan kemampuan las bahan yang digunakan, pemilihan bahan pengisi dan peralatan. Unit pengelasan untuk bagian atas bawah dan cangkang atas. Perhitungan mode pengelasan busur manual. Peta proses teknologi unit pengelasan A Ar-C17 menurut Gost 14771-76.

tugas kursus, ditambahkan pada 20/02/2013


Informasi umum tentang material komposit. Sifat material komposit seperti sibunit. Berbagai bahan karbon berpori. Bahan pelindung dan penyerap radio. Keramik kalsium fosfat adalah biopolimer untuk regenerasi jaringan tulang.

abstrak, ditambahkan 13/05/2011


Jenis dan karakteristik pipa plastik, alasan pemilihan metode penyambungannya, prinsip penyambungan. Aturan umum untuk pengelasan butt pipa plastik dan polipropilen. Teknologi pengelasan soket. Prinsip dan tahapan pemasangan pipa polypropylene.

Invensi ini berkaitan dengan bidang penjernihan serapan air permukaan dan air tanah yang mempunyai kandungan titanium dan senyawanya yang tinggi serta dapat digunakan untuk penjernihan air sehingga menghasilkan air minum yang aman bagi kesehatan. Metode untuk memurnikan air permukaan dan air tanah dari titanium dan senyawanya melibatkan kontak air yang terkontaminasi dengan adsorben, di mana tabung nano karbon digunakan sebagai adsorben, yang ditempatkan dalam rendaman ultrasonik dan bekerja pada tabung nano karbon dan air yang dimurnikan. mode 1-15 menit, dengan frekuensi USG 42 kHz dan daya 50 W. Hasil teknisnya terdiri dari pemurnian 100% air dari titanium dan senyawanya karena karakteristik adsorpsi karbon nanotube yang sangat tinggi. 4 sakit., 2 meja, 4 eks.

Gambar untuk paten RF 2575029

Invensi ini berkaitan dengan bidang pemurnian sorpsi air permukaan dan air tanah yang mempunyai kandungan titanium dan senyawanya yang tinggi serta dapat digunakan untuk memurnikan air dari titanium dan senyawanya sehingga diperoleh air minum yang aman bagi kesehatan.

Ada metode yang dikenal untuk memurnikan air dari ion logam berat, yang menggunakan adsorben alami teraktivasi yang dikalsinasi sebagai adsorben, yang merupakan batuan mengandung silika dengan komposisi mineral campuran dari endapan di Tatarstan, mengandung% berat: opalcristobolite 51-70 , zeolit ​​​​9-25, komponen tanah liat - mont morillonit, hidromika 7-15, kalsit 10-25, dll. [Paten RF 2150997, IPC B01G 20/16, B01G 20/26, publikasi. 20/06/2000]. Kerugian dari metode yang diketahui ini adalah penggunaan asam klorida untuk mengaktifkan material, yang memerlukan peralatan yang tahan terhadap lingkungan agresif. Selain itu, metode ini menggunakan batuan yang agak langka dengan komposisi mineral kompleks dan tidak ada data mengenai kandungan titanium dan senyawanya.

Ada metode yang diketahui untuk memproduksi adsorben granular berdasarkan shungite [Auth.St. USSR No.822881, IPC B01G 20/16, terbitan. 23/04/1981].

Kerugian dari metode ini adalah penggunaan mineral shungite yang kurang umum, yang telah dimodifikasi sebelumnya dengan amonium nitrat, kalsinasi pada suhu tinggi, yang memerlukan peralatan dan konsumsi energi yang sesuai, serta pemrosesan di lingkungan yang agresif. Tidak ada data mengenai efektivitas pemurnian air dari titanium.

Ada metode yang dikenal, yang dianggap analog, untuk memperoleh sorben organomineral berdasarkan aluminosilikat alami, yaitu zeolit, dengan memodifikasi aluminosilikat yang diberi perlakuan panas sebelumnya dengan polisakarida, khususnya kitosan [Paten RF No. 2184607, IPC C02F 1/56, B01J 20/32, B01J 20/26 , B01J 20/12, terbitan. 07/10/2002]. Metode ini memungkinkan untuk memperoleh sorben yang cocok untuk pemurnian larutan berair secara efektif dari ion logam dan pewarna organik dari berbagai sifat.

Kerugian dari sorben yang diperoleh dengan metode yang dijelaskan adalah tingkat dispersinya yang tinggi, yang tidak memungkinkan pemurnian air dengan arus melalui lapisan sorben (filter cepat tersumbat), serta kemungkinan mencuci lapisan kitosan dari sorben. seiring berjalannya waktu karena kurangnya fiksasi pada basis mineral dan tidak adanya data tentang pemurnian efektif dari senyawa logam berat, seperti titanium dan senyawanya.

Metode klarifikasi dan pembuangan air industri dari struktur filter stasiun pengolahan air dijelaskan [Paten untuk penemuan RU No. 2372297, IPC C02F 1/5, C02F 103/04, publ. 10/11/2009].

Inti dari penemuan ini terletak pada penggunaan koagulan kompleks, yang merupakan campuran larutan sulfat dan aluminium oksida klorida dalam perbandingan dosis 2:1 untuk aluminium oksida.

Paten ini memberikan contoh pemurnian air tanah untuk penyediaan air minum.

Kerugian dari metode yang dijelaskan adalah rendahnya efisiensi pemurnian dari pengotor; 46% sedimen terapung, dan sisanya tersuspensi.

Ada metode pemurnian air yang dikenal dengan pengolahan dalam pipa pasokan dengan flokulan kationik [Paten RF No. 2125540, IPC C02F 1/00, publ. 27/01/1999].

Invensi ini berkaitan dengan metode pemurnian air dari saluran permukaan dan dapat digunakan dalam bidang penyediaan air rumah tangga dan air minum atau teknis.

Inti dari penemuan ini: selain flokulan, koagulan mineral dimasukkan ke dalam pipa dengan perbandingan massa terhadap flokulan dari 40:1 hingga 1:1.

Metode ini memberikan peningkatan efisiensi agregasi zat tersuspensi, yang memungkinkan untuk mengurangi kekeruhan air yang mengendap sebanyak 2-3 kali lipat. Setelah menggunakan metode ini, diperlukan sedimentasi lebih lanjut di tangki pengendapan. Jadi, menurut metode yang dijelaskan, penghilangan logam sebesar 100% tidak tercapai, kesadahan air menurun dari 5,7 mg-eq/l menjadi 3 mg-eq/l, kekeruhan menurun menjadi 8,0 mg/l.

Kerugian dari analog ini adalah rendahnya efisiensi penghilangan logam dan pengotor organik, tidak ada data mengenai kandungan titanium.

Efisiensi penyerapan karbon nanotube (CNT) digambarkan sebagai dasar teknologi inovatif untuk pemurnian campuran air-etanol [Zaporotskova N.P. dan lain-lain Buletin VolSU seri 10 edisi. 5, 2011, 106 hal.].

Pekerjaan tersebut melakukan studi mekanika kuantum tentang proses adsorpsi molekul alkohol berat pada permukaan luar tabung nano karbon berdinding tunggal.

Kerugian dari aktivitas penyerapan CNT yang dijelaskan adalah hanya perhitungan mekanika kuantum teoritis yang dilakukan, sedangkan studi eksperimental dilakukan untuk alkohol. Tidak ada contoh untuk membersihkan logam.

Pengaruh positif karbon nanotube pada proses pemurnian campuran air-etanol telah terbukti.

Saat ini, harapan khusus dalam pengembangan banyak bidang ilmu pengetahuan dan teknologi dikaitkan dengan tabung nano karbon CNT [Harris P. Carbon nanotubes dan struktur terkait. Materi baru abad XXI. - M.: Tekhnosphere, 2003. - 336 hal.].

Fitur luar biasa dari CNT dikaitkan dengan karakteristik penyerapannya yang unik [Eletsky A.V. Sifat penyerapan struktur nano karbon. - Kemajuan dalam ilmu fisika. - 2004.-T. 174, No.11.--Hal.1191-1231].

Filter berdasarkan tabung nano karbon untuk memurnikan cairan yang mengandung alkohol dijelaskan [Polikarpova N.P. dan lain-lain Buletin VolSU seri 10 edisi. 6, 2012, 75 hal.]. Eksperimen dilakukan pada pemurnian cairan yang mengandung alkohol menggunakan metode filtrasi dan transmisi, dan fraksi massa CNT ditentukan yang memberikan hasil terbaik.

Studi eksperimental yang dilakukan membuktikan bahwa perlakuan campuran air-etanol dengan CNT membantu mengurangi kandungan minyak fusel dan zat lainnya. Kerugian dari analog ini adalah kurangnya data tentang pemurnian air dari logam.

Penelitian ini mempelajari penyerapan/desorpsi Zn(II) dalam siklus berturut-turut oleh karbon aktif dan CNT. Adsorpsi Zn(II) oleh karbon aktif menurun tajam setelah beberapa siklus, hal ini disebabkan oleh rendahnya penghilangan ion logam dari permukaan bagian dalam pori-pori karbon aktif.

Sifat hidrofobik CNT menyebabkan lemahnya interaksi dengan molekul air, sehingga menciptakan kondisi aliran bebas.

Noy A., Park N.G., Fornasiero F., Holt J.K., Grigoropoulos S.P. dan Bakajin O. Nanofluidics dalam karbon nanotube // Nano Today. 2007, jilid. 2, tidak. 6, hal. 22-29.

Kapasitas adsorpsi CNT bergantung pada keberadaan gugus fungsi pada permukaan adsorben dan sifat adsorbat.

Misalnya, adanya gugus karboksil, lakton, dan fenolik meningkatkan kapasitas adsorpsi zat polar.

CNT, yang tidak memiliki gugus fungsi pada permukaannya, dicirikan oleh kapasitas adsorpsi yang tinggi terhadap polutan non-polar.

Salah satu cara untuk membuat membran adalah dengan menumbuhkan CNT pada permukaan silikon menggunakan uap yang mengandung karbon menggunakan nikel sebagai katalis.

CNT adalah struktur molekul menyerupai sedotan yang terbuat dari lembaran karbon dengan ketebalan sebagian kecil nanometer, tebal 10 -9 m, pada dasarnya merupakan lapisan atom grafit biasa yang digulung menjadi tabung - salah satu bahan paling menjanjikan di bidang nanoteknologi. CNT juga dapat memiliki struktur yang diperluas [situs web WCG http://www.worldcommunitygrid.org/].

Teknologi membran, yang banyak digunakan untuk memperoleh air minum bagi penghuni planet kita.

Ada dua kelemahan signifikan - konsumsi energi dan pengotoran membran, yang hanya dapat dihilangkan dengan metode kimia.

Membran produktif dan antifouling dapat dibuat berdasarkan karbon nanotube atau graphene [M. Majumder dkk. Alam 438, 44 (2005)].

Yang paling dekat dengan penemuan yang diklaim dalam hal esensi teknis dan hasil yang dicapai adalah metode produksi sorben untuk pemurnian air [Paten RF 2277013 C1, IPC B01J 20/16, B01J 20/26, B01J 20/32, publ. 01.12.2004]. Paten ini diambil sebagai prototipe. Metode ini berkaitan dengan bidang pemurnian air sorpsi, khususnya produksi sorben dan metode pemurnian, serta dapat digunakan untuk memurnikan air minum atau air industri dengan kandungan ion logam berat dan zat organik polar yang tinggi. Metode ini melibatkan pengolahan aluminosilikat alami dengan larutan kitosan dalam asam asetat encer dengan perbandingan aluminosilikat dan larutan kitosan sama dengan 1:1, pada pH 8-9.

Di meja Gambar 1 menunjukkan deskripsi perbandingan sorben yang diperoleh menurut penemuan, diambil sebagai prototipe [Paten 2277013]. Contoh diberikan pada penyerapan sehubungan dengan pewarna dan pada penyerapan tembaga, besi dan ion logam lainnya dari larutan.

Kekurangan dari prototipe ini adalah rendahnya kapasitas adsorpsi logam berat (SOE) mg/l untuk tembaga Cu+2 (dari 3,4 menjadi 5,85); tidak ada data adsorpsi titanium dan senyawanya. COE, mg/l untuk Fe +3 bervariasi dari 3,4 hingga 6,9.

Tujuan dari penemuan ini adalah untuk mengembangkan metode pemurnian air permukaan dan air tanah dari titanium dan senyawanya menggunakan tabung nano karbon dan paparan ultrasound, yang akan menghasilkan air minum bersih berkualitas tinggi dan meningkatkan efisiensi pemurnian air permukaan dan air tanah karena karakteristik adsorpsi CNT yang tinggi.

Masalah tersebut diselesaikan dengan usulan metode pemurnian air permukaan dan air tanah dari titanium dan senyawanya menggunakan CNT, menggunakan USG dengan daya 50 W dengan frekuensi USG 42 kHz selama 1-15 menit.

Cara yang dilakukan adalah sebagai berikut. Adsorben merupakan nanotube karbon berdinding tunggal yang memiliki kemampuan berinteraksi aktif dengan atom titanium dan kationnya (Ti, Ti +2, Ti +4).

Satu gram CNT dengan kemurnian 98% ditambahkan ke dalam 99 g air untuk menghilangkan Ti, Ti +2, Ti +4, kemudian seluruh isinya dimasukkan ke dalam penangas ultrasonik UKH-3560 dan dipaparkan dengan ultrasound selama 1-15 menit. dengan daya 50 Watt dan pada frekuensi USG 42 kHz.

Setelah penyaringan, sampel air yang diambil untuk dianalisis diperiksa. Analisis emisi atom digunakan untuk mengetahui kandungan titanium dan senyawanya dalam sampel air sebelum pengolahan CNT dan setelah pengolahan sampel air dengan CNT dalam rendaman ultrasonik.

Usulan “Metode pemurnian air permukaan dan air tanah dari titanium dan senyawanya menggunakan tabung nano karbon dan ultrasound” dikonfirmasi oleh contoh-contoh yang akan dijelaskan di bawah.

Penerapan metode sesuai dengan kondisi yang ditentukan memungkinkan diperolehnya air yang benar-benar murni dengan kandungan titanium dan senyawanya nol (Ti, Ti +2, Ti +4).

Hasil teknis dicapai dengan fakta bahwa CNT bertindak sebagai kapiler, menyerap atom Ti dan kation titanium Ti +2 dan Ti +4, yang ukurannya sebanding dengan diameter bagian dalam CNT. Diameter CNT bervariasi dari 4,8 Å hingga 19,6 Å tergantung pada kondisi untuk memperoleh CNT.

Telah dibuktikan secara eksperimental bahwa rongga CNT secara aktif diisi dengan berbagai unsur kimia.

Fitur penting yang membedakan CNT dari bahan lain yang dikenal adalah adanya rongga internal di nanotube. Atom Ti dan kationnya Ti +2, Ti +4 menembus ke dalam CNT di bawah pengaruh tekanan eksternal atau sebagai akibat dari efek kapiler dan tertahan di sana karena gaya serapan [Dyachkov P.N. Karbon nanotube: struktur, sifat, aplikasi. - M.: Binom. Laboratorium Pengetahuan, 2006. - 293 hal.].

Hal ini memungkinkan adsorpsi selektif oleh nanotube. Selain itu, permukaan CNT yang sangat melengkung memungkinkan atom dan molekul yang cukup kompleks, khususnya Ti, Ti +2, Ti +4, teradsorpsi pada permukaannya.

Selain itu, efisiensi nanotube puluhan kali lebih besar dibandingkan aktivitas adsorben grafit, yang saat ini merupakan bahan pembersih paling umum. CNT dapat menyerap pengotor baik pada permukaan luar maupun permukaan dalam, sehingga memungkinkan terjadinya adsorpsi selektif.

Oleh karena itu, CNT dapat digunakan untuk pemurnian akhir berbagai cairan dari pengotor dengan konsentrasi sangat rendah.

CNT memiliki luas permukaan spesifik material CNT yang tinggi dan menarik, mencapai nilai 600 m 2 /g atau lebih.

Luas permukaan spesifik yang begitu tinggi, beberapa kali lebih tinggi dari luas permukaan spesifik sorben modern terbaik, membuka kemungkinan penggunaannya untuk memurnikan air permukaan dan air tanah dari logam berat, khususnya Ti, Ti +2, Ti +4 .

Sintesis CNT. Dengan menggunakan fasilitas sintesis karbon nanotube CVDomna, bahan nano karbon CNT diperoleh, yang digunakan untuk memurnikan air permukaan dan air tanah dari titanium dan senyawanya.

Studi eksperimental telah dilakukan untuk memurnikan air dari titanium dan senyawanya.

Untuk menentukan jumlah CNT yang optimal, kandungan titanium dan senyawanya perlu diatur ke jumlah yang sangat rendah. Konsentrasi CNT ini ditemukan dan pada percobaan selanjutnya digunakan konsentrasi optimal yaitu sebesar 0,01 g per 1 liter air yang dianalisis.

Analisis emisi atom menunjukkan adanya atom Ti dan kationnya (Ti +2, Ti +4) dalam sampel air yang diteliti, sehingga kita dapat menyimpulkan bahwa titanium dan kation Ti +2, Ti +4 yang berinteraksi dengan tabung nano karbon. Jari-jari atom Ti adalah 147 pm, mis. Kation titanium dapat berinterkalasi ke dalam rongga tabung nano karbon dan teradsorpsi di dalamnya (Gbr. 1) atau teradsorpsi pada permukaan luarnya, juga membentuk struktur penghubung dengan atom karbon segi enam (Gbr. 2), membentuk struktur molekul yang terhubung. .

Pengenalan Ti dan kationnya ke dalam rongga CNT dimungkinkan dengan pendekatan langkah demi langkah Ti ke tabung nano sepanjang sumbu longitudinal utamanya dan penetrasi atom titanium dan kationnya ke dalam rongga tabung nano dengan adsorpsi lebih lanjut di bagian dalam. permukaan CNT. Varian lain dari adsorpsi Ti juga diketahui, yang menyatakan bahwa satu atom titanium dapat membuat ikatan Ti-C yang stabil dengan atom karbon di bagian luar tabung nano karbon dalam dua kasus sederhana, ketika Ti berada di 1/4 dan 1/2 dari seluruhnya. segi enam (Gbr. 3) .

Artinya, adsorpsi titanium dan kationnya pada permukaan CNT tidak hanya terbukti secara teoritis, tetapi juga dibuktikan secara eksperimental dalam penelitian.

Sorben inventif ini merupakan konglomerat tabung nano karbon berdinding tunggal yang memiliki kemampuan untuk berinteraksi secara aktif dengan titanium dan kationnya, membentuk ikatan yang stabil, dan kemungkinan adsorpsi atom titanium dan senyawanya pada permukaan internal dan eksternal CNT dengan karbon nanotube. pembentukan struktur penghubung dengan dua ikatan Ti-C, jika Ti +2 atau empat untuk Ti +4. Saat memurnikan air yang terkontaminasi titanium dan senyawanya, CNT digunakan; titanium teradsorpsi pada permukaan CNT karena gaya van der Waals, yaitu titanium dan senyawanya dari atom bebas dan kation Ti +2 dan Ti +4 menjadi terikat menjadi ikatan molekul (Gbr. 4).

Kemungkinan penerapan penemuan ini diilustrasikan oleh contoh-contoh berikut.

Contoh 1. Airtanah dari sumur 1) sedalam 40 m diambil untuk pengujian kandungan komposisi unsur kualitatif, serta analisis kuantitatif kandungan titanium dan senyawanya sebelum dimurnikan dengan CNT dan setelah adsorpsi CNT dan pengolahan ultrasonik. . Waktu pemaparan USG 15 menit. Kandungan Ti dan senyawanya setelah dimurnikan adalah 0% (Tabel 2).

Contoh 2. Air tanah dari sumur 2) dengan kedalaman 41 m, berbeda dengan sumur 1), air ini terletak pada jarak 200 m dari sumur 1) di waduk Bereslavsky (Volgograd). Waktu pemaparan USG 15 menit. Kandungan Ti dan senyawanya setelah pemurnian adalah 0% menurut penemuan (Tabel 2).

Contoh 3. Air yang diambil dari keran air (distrik Sovetsky, Volgograd) dimurnikan menggunakan CNT dan paparan USG selama 15 menit, daya 50 W dan frekuensi operasi USG 42 kHz (Tabel 2).

Contoh 4. Semuanya sama seperti pada contoh 1, namun waktu pemaparan USG adalah 1 menit.

Contoh 5. Airtanah dari sumur 1) sedalam 40 m diambil untuk dianalisis kandungan titanium dan senyawanya, kemudian dimurnikan sesuai prototipe [Paten RU 2277013].

Waktu pemaparan USG 15 menit (percobaan 1, 2, 3, 5). Waktu pemaparan USG 1 menit (percobaan 4).

Keuntungan dari metode berbasis CNT yang diklaim termasuk tingkat adsorpsi titanium dan senyawanya yang sangat tinggi. Berdasarkan hasil percobaan, pemurnian 100% air uji dari titanium dan senyawanya dipastikan dalam kondisi optimal.

MENGEKLAIM

Suatu metode untuk memurnikan air permukaan dan air tanah dari titanium dan senyawanya menggunakan karbon nanotube (CNT) dan ultrasound, termasuk membawa air yang terkontaminasi ke dalam kontak dengan adsorben untuk menangkap logam berat, ditandai dengan penggunaan karbon nanotube sebagai adsorben, yang ditempatkan di sebuah rendaman ultrasonik , mempengaruhi CNT dan air murni dalam mode 1-15 menit, dengan frekuensi ultrasonik 42 kHz dan daya 50 W.

Pemilik paten RU 2430879:

Penemuan ini berkaitan dengan nanoteknologi dan dapat digunakan sebagai komponen material komposit. Tabung nano karbon berdinding banyak diproduksi melalui pirolisis hidrokarbon menggunakan katalis yang mengandung Fe, Co, Ni, Mo, Mn dan kombinasinya sebagai komponen aktif, serta Al 2 O 3 , MgO, CaCO 3 sebagai pembawa. Nanotube yang dihasilkan dibersihkan dengan cara direbus dalam larutan asam klorida diikuti dengan pencucian dengan air. Setelah perlakuan asam, pemanasan dilakukan dalam aliran argon dengan kemurnian tinggi dalam tungku dengan gradien suhu. Di wilayah kerja tungku suhunya 2200-2800°C. Di bagian tepi oven suhunya 900-1000°C. Penemuan ini memungkinkan untuk memperoleh tabung nano berdinding banyak dengan kandungan pengotor logam kurang dari 1 ppm. 3 gaji f-ly, 9 sakit., 3 meja.

Penemuan ini berkaitan dengan bidang produksi tabung nano karbon multidinding (MWCNT) dengan kemurnian tinggi dengan kandungan pengotor logam kurang dari 1 ppm, yang dapat digunakan sebagai komponen bahan komposit untuk berbagai keperluan.

Untuk produksi massal MWCNT, metode yang digunakan berdasarkan pirolisis hidrokarbon atau karbon monoksida dengan adanya katalis logam berdasarkan logam subkelompok besi [T.W.Ebbesen // Carbon nanotubes: Preparation and Properties, CRC Press, 1997, p. 139-161; V.Shanov, Yeo-Heung Yun, M.J.Schuiz // Sintesis dan karakterisasi bahan karbon nanotube (review) // Jurnal Universitas Teknologi Kimia dan Metalurgi, 2006, No.4, v.41, p.377-390 ; JW Seo; A.Magrez; M.Milas; K.Lee, V Lukovac, L.Forro // Tabung nano karbon yang dikembangkan secara katalitik: dari sintesis hingga toksisitas // Journal of Physics D (Fisika Terapan), 2007, v.40, n.6]. Oleh karena itu, MWCNT yang diperoleh dengan bantuannya mengandung pengotor logam katalis yang digunakan. Pada saat yang sama, sejumlah aplikasi, misalnya, untuk pembuatan perangkat elektrokimia dan produksi material komposit untuk berbagai keperluan, memerlukan MWCNT dengan kemurnian tinggi yang tidak mengandung pengotor logam. MWCNT dengan kemurnian tinggi terutama diperlukan untuk produksi material komposit yang memerlukan pemrosesan suhu tinggi. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa inklusi anorganik dapat menjadi katalis untuk grafitisasi lokal dan, sebagai akibatnya, memulai pembentukan cacat baru pada struktur karbon [A.S. Fialkov // Karbon, senyawa interlayer dan komposit berdasarkan padanya, Aspect Press, Moskow , 1997, hal.588 -602]. Mekanisme kerja katalitik partikel logam didasarkan pada interaksi atom logam dengan matriks karbon dengan pembentukan partikel logam-karbon yang selanjutnya melepaskan formasi mirip grafit baru yang dapat merusak struktur komposit. Oleh karena itu, pengotor logam sekecil apa pun dapat menyebabkan terganggunya homogenitas dan morfologi material komposit.

Metode paling umum untuk memurnikan tabung nano karbon katalitik dari pengotor didasarkan pada perlakuannya dengan campuran asam dengan konsentrasi berbeda saat dipanaskan, dan juga dikombinasikan dengan paparan radiasi gelombang mikro. Namun, kelemahan utama dari metode ini adalah rusaknya dinding tabung nano karbon akibat paparan asam kuat, serta munculnya sejumlah besar gugus fungsi yang mengandung oksigen yang tidak diinginkan di permukaannya, sehingga menyulitkan untuk memilih kondisi untuk perlakuan asam. Dalam hal ini, kemurnian MWCNT yang dihasilkan adalah 96-98% berat, karena partikel logam katalis dienkapsulasi dalam rongga internal tabung nano karbon dan tidak dapat diakses oleh reagen.

Peningkatan kemurnian MWCNT dapat dicapai dengan memanaskannya pada suhu di atas 1500°C dengan tetap mempertahankan struktur dan morfologi tabung nano karbon. Metode ini memungkinkan tidak hanya untuk membersihkan MWCNT dari kotoran logam, tetapi juga berkontribusi pada penataan struktur tabung nano karbon karena anil cacat kecil, peningkatan modulus Young, pengurangan jarak antara lapisan grafit, dan juga penghilangan oksigen permukaan. yang selanjutnya memastikan dispersi tabung nano karbon yang lebih seragam dalam matriks polimer, yang diperlukan untuk mendapatkan material komposit berkualitas lebih tinggi. Kalsinasi pada suhu sekitar 3000°C menyebabkan pembentukan cacat tambahan pada struktur tabung nano karbon dan berkembangnya cacat yang sudah ada. Perlu dicatat bahwa kemurnian tabung nano karbon yang diperoleh dengan menggunakan metode yang dijelaskan tidak lebih dari 99,9%.

Invensi ini memecahkan masalah pengembangan metode untuk memurnikan tabung nano karbon berdinding banyak yang diperoleh dengan pirolisis katalitik hidrokarbon, dengan penghilangan pengotor katalis yang hampir sempurna (hingga 1 ppm), serta pengotor senyawa lain yang mungkin muncul selama perlakuan asam MWCNT. , dengan tetap menjaga morfologi tabung nano karbon.

Masalah tersebut diselesaikan dengan metode pemurnian tabung nano karbon berdinding banyak yang diperoleh dengan pirolisis hidrokarbon menggunakan katalis yang mengandung Fe, Co, Ni, Mo, Mn dan kombinasinya sebagai komponen aktif, serta Al 2 O 3 , MgO, CaCO 3 sebagai pembawa. , yang dilakukan perebusan dalam larutan asam klorida dengan pencucian lebih lanjut dengan air, setelah perlakuan asam, pemanasan dilakukan dalam aliran argon dengan kemurnian tinggi dalam tungku dengan gradien suhu, di wilayah kerja suhunya adalah 2200 -2800 °C, di tepi tungku suhunya 900-1000 °C, menghasilkan nanotube berdinding banyak dengan kandungan pengotor logam kurang dari 1 ppm.

Pemanasan dilakukan dalam ampul yang terbuat dari grafit dengan kemurnian tinggi.

Waktu pemanasan dalam aliran argon misalnya 15-60 menit.

Argon yang digunakan dengan kemurnian 99,999%.

Perbedaan yang signifikan antara metode ini adalah penggunaan tungku dengan gradien suhu untuk membersihkan MWCNT, dimana pengotor logam menguap di zona panas, dan kondensasi partikel logam dalam bentuk bola-bola kecil terjadi di zona dingin. Untuk melakukan perpindahan uap logam, digunakan aliran argon dengan kemurnian tinggi (dengan kemurnian 99,999%) dengan laju aliran gas sekitar 20 l/jam. Oven dilengkapi dengan segel khusus yang mencegah paparan gas atmosfer.

Desorpsi awal air dan oksigen udara dari permukaan MWCNT dan ampul grafit, di mana sampel ditempatkan dalam tungku grafit, serta meniupnya dengan argon dengan kemurnian tinggi, menghindari dampak pada bahan yang dimurnikan. MWCNT reaksi transpor gas yang melibatkan gas yang mengandung hidrogen dan oksigen, mengarah pada redistribusi karbon antara bentuk yang sangat tersebar dan bentuk seperti grafit yang mengkristal dengan baik dengan energi permukaan rendah (V.L.Kuznetsov, Yu.V.Butenko, V.I.Zaikovskii dan A.L. Chuvilin // Proses redistribusi karbon dalam nanokarbon // Karbon 42 (2004) hal.1057-1061; A.S. Fialkov // Proses dan perangkat untuk produksi bahan karbon-grafit bubuk, Aspect Press, Moskow, 2008, hal. 510-514 ).

Tabung nano karbon berdinding banyak katalitik diproduksi dengan pirolisis hidrokarbon menggunakan katalis yang mengandung Fe, Co, Ni, Mo dan kombinasinya sebagai komponen aktif, serta Al 2 O 3, MgO, CaCO 3 sebagai pembawa (T.W. Ebbesen // Carbon nanotubes: Persiapan dan properti, CRC Press, 1997, hal.139-161;V.Shanov, Yeo-Heung Yun, M.J.Schuiz // Sintesis dan karakterisasi bahan karbon nanotube (ulasan) // Jurnal Universitas Teknologi Kimia dan Metalurgi, 2006 , No. 4, v.41, hal.377-390; J.W.Seo; A.Magrez; M.Milas; K.Lee, V Lukovac, L.Forro // Tabung nano karbon yang dikembangkan secara katalitik: dari sintesis hingga toksisitas // Jurnal Fisika D (Fisika Terapan), 2007, v.40, n.6).

Dalam metode yang diusulkan, untuk menunjukkan kemungkinan menghilangkan pengotor dari logam yang paling umum, pemurnian dilakukan untuk dua jenis MWCNT yang disintesis pada katalis Fe-Co/Al 2 O 3 dan Fe-Co/CaCO 3 yang mengandung Fe dan Co dalam perbandingan 2:1. Salah satu fitur terpenting dari penggunaan katalis ini adalah tidak adanya fase karbon lain selain MWCNT dalam sampel yang disintesis. Dengan adanya katalis Fe-Co/Al 2 O 3 diperoleh MWCNT dengan rata-rata diameter luar 7-10 nm, dan dengan adanya katalis Fe-Co/CaCO 3 diperoleh MWCNT dengan rata-rata diameter luar yang besar. dari 22-25nm.

Sampel yang diperoleh diperiksa dengan mikroskop elektron transmisi, metode fluoresensi spektral sinar-X pada alat analisa ARL - Advant "x dengan anoda Rh dari tabung sinar-X (akurasi pengukuran ± 10%), dan permukaan spesifik sampel adalah diukur dengan metode BET.

Menurut data TEM, sampel awal terdiri dari MWCNT yang sangat cacat (Gbr. 1, 6). Fragmen tabung di daerah tikungan memiliki kontur yang halus dan membulat; Sejumlah besar formasi mirip fullerene diamati pada permukaan tabung. Lapisan nanotube mirip graphene dicirikan oleh adanya sejumlah besar cacat (putus, sambungan mirip Y, dll.). Di beberapa bagian tabung, terdapat perbedaan jumlah lapisan di berbagai sisi MWCNT. Yang terakhir menunjukkan adanya lapisan graphene terbuka dan memanjang, terutama terlokalisasi di dalam tabung. Gambar mikroskopis elektron dari MWCNT yang dipanaskan dalam aliran argon dengan kemurnian tinggi pada suhu 2200°C - Gambar 2, 7; 2600°C - Gbr.3, 8; 2800°C - Gambar 4, 5, 9. Dalam sampel setelah kalsinasi, diamati MWCNT yang lebih halus dengan cacat internal dan dekat permukaan yang lebih sedikit. Tabung-tabung tersebut terdiri dari pecahan-pecahan lurus berukuran ratusan nanometer dengan kekusutan yang jelas. Dengan meningkatnya suhu kalsinasi, dimensi bagian lurus bertambah. Jumlah lapisan graphene pada dinding tabung pada sisi yang berbeda menjadi sama, yang membuat struktur MWCNT lebih tertata. Permukaan bagian dalam tabung juga mengalami perubahan signifikan - partikel logam dihilangkan, partisi internal menjadi lebih teratur. Selain itu, ujung tabung menutup - lapisan graphene yang membentuk tabung tertutup.

Kalsinasi sampel pada 2800°C mengarah pada pembentukan sejumlah kecil formasi karbon silinder yang diperbesar, terdiri dari lapisan graphene yang tertanam satu sama lain, yang mungkin terkait dengan perpindahan karbon dalam jarak pendek karena peningkatan tekanan uap grafit. .

Studi sampel MWCNT awal dan dipanaskan menggunakan metode fluoresensi sinar-X menunjukkan bahwa setelah memanaskan sampel tabung nano karbon berdinding banyak pada suhu di kisaran 2200-2800°C, jumlah pengotor berkurang, yang juga dikonfirmasi oleh mikroskop elektron transmisi. . Memanaskan sampel MWCNT pada suhu 2800°C memastikan penghilangan pengotor dari sampel hampir sempurna. Dalam hal ini, tidak hanya pengotor logam katalis yang dihilangkan, tetapi juga pengotor unsur lain yang masuk ke MWCNT pada tahap perlakuan asam dan pencucian. Pada sampel awal, rasio besi terhadap kobalt kira-kira 2:1, yang sesuai dengan komposisi awal katalis. Kandungan aluminium dalam tabung awal yang diperoleh dengan menggunakan sampel katalis Fe-Co/Al 2 O 3 kecil, hal ini disebabkan oleh penghilangannya ketika tabung nano diolah dengan asam saat katalis dicuci. Hasil kajian kandungan pengotor dengan metode fluoresensi spektral sinar-X disajikan pada tabel 1 dan 2.

Pengukuran luas permukaan spesifik dengan metode BET menunjukkan bahwa dengan meningkatnya suhu, luas permukaan spesifik sampel MWCNT mengalami perubahan yang tidak signifikan dengan tetap mempertahankan struktur dan morfologi tabung nano karbon. Menurut data TEM, penurunan luas permukaan spesifik dapat dikaitkan dengan penutupan ujung MWCNT dan penurunan jumlah cacat permukaan. Dengan meningkatnya suhu, dimungkinkan untuk membentuk sebagian kecil formasi silinder yang diperbesar dengan peningkatan jumlah lapisan dan rasio panjang terhadap lebar sekitar 2-3, yang juga berkontribusi terhadap penurunan luas permukaan spesifik. Hasil kajian luas permukaan spesifik disajikan pada Tabel 3.

Inti dari penemuan ini diilustrasikan dengan contoh, tabel (tabel 1-3) dan ilustrasi berikut (Gambar 1-9).

Sampel MWCNT (10 g), diperoleh melalui pirolisis etilen dengan adanya katalis Fe-Co/Al 2 O 3 dalam reaktor kuarsa aliran pada suhu 650-750°C, ditempatkan dalam ampul grafit dengan tinggi 200 mm dan diameter luar 45 mm serta ditutup dengan penutup ( diameter 10 mm) berlubang (diameter 1-2 mm). Ampul grafit ditempatkan dalam ampul kuarsa dan udara dipompa keluar menggunakan pompa vakum hingga tekanan minimal 10 -3 Torr, diikuti dengan pembersihan dengan argon dengan kemurnian tinggi (kemurnian 99,999%), pertama pada suhu kamar dan kemudian pada suhu 200-230°C untuk menghilangkan kelompok permukaan yang mengandung oksigen dan sisa air. Sampel dipanaskan pada suhu 2200°C selama 1 jam dalam aliran argon dengan kemurnian tinggi (~20 l/jam) dalam tungku dengan gradien suhu, dimana pada area kerja suhu dipertahankan pada 2200°C , dan di tepi tungku suhunya 900-1000°C DENGAN. Atom logam yang menguap dari MWCNT selama pemanasan dipindahkan dari bagian panas tungku ke bagian dingin melalui aliran argon, dimana logam diendapkan dalam bentuk bola-bola kecil.

Setelah kalsinasi, bahan yang dihasilkan diperiksa dengan mikroskop elektron transmisi dan metode fluoresensi sinar-X. Gambar 1 menunjukkan gambar mikroskopis elektron dari MWCNT asli, dan Gambar 2 menunjukkan MWCNT yang dipanaskan pada 2200°C. Dengan menggunakan metode BET, luas permukaan spesifik sampel MWCNT ditentukan sebelum dan sesudah kalsinasi. Data yang diperoleh menunjukkan adanya sedikit penurunan luas permukaan spesifik sampel setelah kalsinasi jika dibandingkan dengan luas permukaan spesifik sampel MWCNT asli.

Mirip dengan contoh 1, dicirikan bahwa sampel MWCNT asli dipanaskan pada 2600°C selama 1 jam dalam aliran argon dengan kemurnian tinggi (~20 l/jam) dalam tungku dengan gradien suhu, di mana suhu dalam area kerja dipertahankan pada 2600°C, pada suhu di tepi oven adalah 900-1000°C. Gambar MWCNT yang dipanaskan yang diperoleh dengan mikroskop elektron transmisi ditunjukkan pada Gambar 3. Gambar TEM resolusi tinggi menunjukkan ujung tertutup dari nanotube.

Mirip dengan contoh 1, dicirikan bahwa sampel MWCNT asli dipanaskan pada 2800°C selama 15 menit dalam aliran argon dengan kemurnian tinggi (~20 l/jam) dalam tungku dengan gradien suhu, di mana suhu dalam area kerja dipertahankan pada 2800°C, pada suhu di tepi oven adalah 900-1000°C. Gambar MWCNT yang dipanaskan yang diperoleh dengan mikroskop elektron transmisi ditunjukkan pada Gambar 4.

Kalsinasi pada 2800°C menghasilkan pembentukan sejumlah kecil formasi silinder yang diperbesar dengan peningkatan jumlah lapisan dan rasio panjang terhadap lebar kira-kira 2-3. Pembesaran ini terlihat pada gambar TEM (Gambar 5).

Mirip dengan contoh 1, dicirikan bahwa MWCNT asli diperoleh dengan adanya katalis Fe-Co/CaCO3. Gambar MWCNT asli dan MWCNT yang dipanaskan pada 2200 °C, diperoleh dengan mikroskop elektron transmisi, masing-masing ditunjukkan pada Gambar 6, 7. Gambar TEM dari MWCNT asli menunjukkan partikel logam yang dikemas dalam saluran tabung (ditandai dengan panah).

Mirip dengan contoh 4, ditandai dengan sampel MWCNT asli dipanaskan pada 2600°C. Gambar mikroskop elektron transmisi dari MWCNT yang dipanaskan ditunjukkan pada Gambar 8. Gambar TEM resolusi tinggi menunjukkan ujung tertutup dari nanotube.

Mirip dengan contoh 4, ditandai dengan sampel MWCNT asli dipanaskan pada suhu 2800°C selama 15 menit. Gambar mikroskop elektron transmisi dari MWCNT yang dipanaskan ditunjukkan pada Gambar 9. Gambar menunjukkan terbentuknya sebagian kecil pembesaran.

Tabel 1
Data fluoresensi spektral sinar-X tentang kandungan pengotor dalam MWCNT setelah pemanasan, diperoleh dengan menggunakan katalis Fe-Co/Al 2 O 3
Elemen
MWCNT awal	Contoh MWCNT_2200°C 1	Contoh MWCNT_2600°C 2	Contoh MWCNT_2800°C 3
Fe	0.136	0.008	jejak kaki	jejak kaki
Bersama	0.0627	jejak kaki	jejak kaki	jejak kaki
Al	0.0050	jejak kaki	jejak kaki	jejak kaki
Sa	jejak kaki	0.0028	0.0014	jejak kaki
Tidak	0.0004	jejak kaki	jejak kaki	jejak kaki
Ya	0.0083	0.0076	jejak kaki	TIDAK
Ti	TIDAK	0.0033	jejak kaki	jejak kaki
S	jejak kaki	TIDAK	TIDAK	TIDAK
Kl	0.111	TIDAK	TIDAK	TIDAK
sn	0.001	0.001	jejak kaki	jejak kaki
Ba	TIDAK	TIDAK	TIDAK	TIDAK
Cu	0.001	0.001	jejak kaki	jejak kaki
jejak - kandungan elemen di bawah 1 ppm

Meja 2
Data fluoresensi spektral sinar-X tentang kandungan pengotor dalam MWCNT setelah pemanasan, diperoleh dengan menggunakan katalis Fe-Co/CaCO 3
Elemen	Estimasi kandungan pengotor,% berat
MWCNT awal	Contoh MWCNT_2200°C 4	Contoh MWCNT_2600°C 5	Contoh MWCNT_2800°C 6
Fe	0.212	0.0011	0.0014	0.001
Bersama	0.0936	jejak kaki	jejak kaki	jejak kaki
Al	0.0048	jejak kaki	jejak kaki	jejak kaki
Sa	0.0035	0.005	0.0036	jejak kaki
Tidak	0.0003	jejak kaki	jejak kaki	jejak kaki
Ya	0.0080	0.0169	0.0098	jejak kaki
Ti	TIDAK	jejak kaki	0.0021	0.0005
S	0.002	TIDAK	TIDAK	TIDAK
Kl	0.078	TIDAK	TIDAK	TIDAK
sn	0.0005	jejak kaki	jejak kaki	jejak kaki
Ba	0.008	TIDAK	TIDAK	TIDAK
Cu	jejak kaki	jejak kaki	jejak kaki	jejak kaki

Tabel 3
BET luas permukaan spesifik sampel MWCNT awal dan yang dipanaskan
Sampel MWCNT (katalis)	Ssp., m 2 /g (±2,5%)
MWCNT_ref (Fe-Co/Al 2 O 3)	390
MWCNT_2200 (Fe-Co/Al 2 O 3) contoh 1	328
MWCNT_2600 (Fe-Co/Al 2 O 3) contoh 2	302
MWCNT_2800 (Fe-Co/Al 2 O 3) contoh 3	304
MWCNT_ref (Fe-Co/CaCO 3)	140
MWCNT_2200 (Fe-Co/CaCO 3) contoh 4	134
Contoh MWCNT_2600 (Fe-Co/CaCO 3)5	140
Contoh MWCNT_2800 (Fe-Co/CaCO 3) 6	134

Keterangan gambar:

Gambar.1. Gambar mikroskopis elektron sampel awal MWCNT yang disintesis pada katalis Fe-Co/Al 2 O 3. Di sebelah kiri adalah gambar TEM resolusi rendah. Di sebelah kanan, di bawah adalah gambar TEM resolusi tinggi, yang menunjukkan dinding MWCNT yang rusak.

Gambar.2. Gambar mikroskopis elektron dari sampel MWCNT yang dipanaskan pada suhu 2200°C, disintesis pada katalis Fe-Co/Al 2 O 3. Di sebelah kiri adalah gambar TEM resolusi rendah. Kanan, bawah - gambar TEM resolusi tinggi. Struktur MWCNT menjadi kurang rusak, dan ujung-ujung nanotube menutup.

Gambar.3. Gambar mikroskopis elektron dari sampel MWCNT yang dipanaskan pada suhu 2600°C, disintesis pada katalis Fe-Co/Al 2 O 3. Di sebelah kiri adalah gambar TEM resolusi rendah. Di sebelah kanan, di bawah adalah gambar TEM resolusi tinggi yang menunjukkan ujung MWCNT yang tertutup. Dinding MWCNT menjadi lebih halus dan tidak terlalu rusak.

Gambar.4. Gambar mikroskopis elektron dari sampel MWCNT yang dipanaskan pada suhu 2800°C, disintesis pada katalis Fe-Co/Al 2 O 3. Di sebelah kiri adalah gambar TEM resolusi rendah. Di sebelah kanan, di bawah adalah gambar TEM resolusi tinggi, yang menunjukkan lebih sedikit dinding MWCNT yang rusak.

Gambar.5. Gambar mikroskopis elektron dari sampel MWCNT yang dipanaskan pada suhu 2800°C, disintesis pada katalis Fe-Co/Al 2 O 3, menunjukkan munculnya cacat pada struktur MWCNT, yaitu formasi silinder yang terdiri dari lapisan graphene yang bersarang di dalamnya. lainnya, yang ditampilkan pada gambar TEM resolusi tinggi kanan atas.

Gambar.6. Gambar mikroskop elektron sampel MWCNT awal yang disintesis pada katalis Fe-Co/CaCO 3. Di sebelah kiri adalah gambar TEM resolusi rendah. Di sebelah kanan, di bawah adalah gambar TEM resolusi tinggi, yang menunjukkan permukaan MWCNT yang tidak rata. Di sebelah kanan, di atas, terlihat partikel katalis yang terbungkus di dalam saluran tabung nano karbon (ditandai dengan panah).

Gambar.7. Gambar mikroskopis elektron dari sampel MWCNT yang dipanaskan pada suhu 2200°C, disintesis pada katalis Fe-Co/CaCO 3. Di sebelah kiri adalah gambar TEM resolusi rendah. Di sebelah kanan, di bawah adalah gambar TEM resolusi tinggi, yang menunjukkan dinding MWCNT yang lebih halus.

Gambar.8. Gambar mikroskopis elektron dari sampel MWCNT yang dipanaskan pada suhu 2600°C, disintesis pada katalis Fe-Co/CaCO 3. Di sebelah kiri adalah gambar TEM resolusi rendah. Kanan bawah adalah gambar TEM resolusi tinggi yang menunjukkan ujung MWCNT yang tertutup. Dinding MWCNT menjadi lebih halus dan tidak terlalu rusak.

Gambar.9. Gambar mikroskopis elektron dari sampel MWCNT yang dipanaskan pada suhu 2800°C, disintesis pada katalis Fe-Co/CaCO 3. Di sebelah kiri adalah gambar TEM resolusi rendah. Kanan, bawah - gambar TEM resolusi tinggi.

1. Metode pemurnian tabung nano karbon berdinding banyak yang diperoleh dengan pirolisis hidrokarbon menggunakan katalis yang mengandung Fe, Co, Ni, Mo, Mn dan kombinasinya sebagai komponen aktif, serta Al 2 O 3 , MgO, CaCO 3 sebagai pembawa, dengan cara direbus dalam larutan asam klorida dengan pencucian lebih lanjut dengan air, ditandai dengan bahwa setelah perlakuan asam, pemanasan dilakukan dalam aliran argon dengan kemurnian tinggi dalam tungku dengan gradien suhu, dimana di wilayah kerja suhunya 2200- 2800°C, di tepi tungku suhunya 900-1000°C, menghasilkan nanotube berdinding banyak dengan kandungan pengotor logam kurang dari 1 ppm.

2. Metode menurut klaim 1, ditandai dengan pemanasan dilakukan dalam ampul yang terbuat dari grafit dengan kemurnian tinggi.