Pastrimi i nanotubave të karbonit

Asnjë nga metodat e zakonshme për marrjen e CNT-ve nuk bën të mundur izolimin e tyre në formën e tyre të pastër. Papastërtitë në NT mund të jenë fullerene, karboni amorf, grimca të grafitizuara dhe grimca katalizatore.

Përdoren tre grupe të metodave të pastrimit të CNT:

shkatërrues,

e pa shkatërrueshme,

të kombinuara.

Metodat destruktive përdorin reaksione kimike që mund të jenë oksiduese ose reduktuese dhe bazohen në ndryshimet në reaktivitetin e formave të ndryshme të karbonit. Për oksidim, përdoren ose solucione të agjentëve oksidues ose reagjentë të gaztë, dhe hidrogjeni përdoret për reduktim. Metodat lejojnë izolimin e CNT-ve me pastërti të lartë, por shoqërohen me humbje të tubit.

Metodat jo-shkatërruese përfshijnë nxjerrjen, flokulimin dhe precipitimin selektiv, mikrofiltrimin e rrjedhës së kryqëzuar, kromatografinë me përjashtim të madhësisë, elektroforezën dhe ndërveprimin selektiv me polimerët organikë. Si rregull, këto metoda janë me produktivitet të ulët dhe joefektive.

Vetitë e nanotubave të karbonit

Mekanike. Nanotubat, siç u tha, janë një material jashtëzakonisht i fortë, si në tension ashtu edhe në përkulje. Për më tepër, nën ndikimin e streseve mekanike që tejkalojnë ato kritike, nanotubat nuk "thyehen", por riorganizohen. Bazuar në vetitë e fortësisë së lartë të nanotubave, mund të argumentohet se ato janë materiali më i mirë për një kabllo të ashensorit hapësinor për momentin. Siç tregojnë rezultatet e eksperimenteve dhe simulimeve numerike, moduli i Young-it i një nanotubi me një mur arrin vlerat e rendit 1-5 TPa, që është një rend i madhësisë më i madh se ai i çelikut. Grafiku më poshtë tregon një krahasim midis një nanotubi me një mur dhe çelikut me rezistencë të lartë.

1 - Sipas llogaritjeve, kablloja e ashensorit hapësinor duhet të përballojë një stres mekanik prej 62,5 GPa

2 - Diagrami i tërheqjes (stresi mekanik y kundrejt zgjatimit relativ e)

Për të demonstruar ndryshimin domethënës midis materialeve më të forta aktuale dhe nanotubave të karbonit, le të bëjmë eksperimentin e mëposhtëm të mendimit. Le të imagjinojmë që, siç u supozua më parë, kablloja për ashensorin hapësinor do të jetë një strukturë homogjene e caktuar në formë pyke e përbërë nga materialet më të forta të disponueshme sot, atëherë diametri i kabllit në GEO (orbita gjeostacionare e Tokës) do të jetë rreth 2 km dhe do të ngushtohet në 1 mm në sipërfaqen e Tokës. Në këtë rast, masa totale do të jetë 60 * 1010 ton. Nëse si material do të përdoreshin nanotubat e karbonit, atëherë diametri i kabllit GEO do të ishte 0.26 mm dhe 0.15 mm në sipërfaqen e Tokës, dhe për këtë arsye masa totale do të ishte 9.2 ton. Siç shihet nga faktet e mësipërme, nanofibra karboni është pikërisht materiali që nevojitet në ndërtimin e një kablloje, diametri aktual i të cilit do të jetë rreth 0.75 m, në mënyrë që të përballojë edhe sistemin elektromagnetik që përdoret për lëvizjen e ashensorit hapësinor. kabina.

elektrike. Për shkak të madhësisë së vogël të nanotubave të karbonit, vetëm në vitin 1996 u bë e mundur të matej drejtpërdrejt rezistenca e tyre elektrike duke përdorur metodën me katër këmbë.

Vija ari u aplikuan në sipërfaqen e lëmuar të oksidit të silikonit në një vakum. Nanotuba 2-3 μm të gjatë u depozituan në hendekun midis tyre. Më pas, 4 përçues tungsteni me trashësi 80 nm u aplikuan në një prej nanotubave të përzgjedhur për matje. Secili nga përçuesit e tungstenit kishte kontakt me një nga shiritat e arit. Distanca midis kontakteve në nanotub varionte nga 0.3 në 1 μm. Rezultatet e matjeve të drejtpërdrejta treguan se rezistenca e nanotubave mund të ndryshojë brenda kufijve të rëndësishëm - nga 5.1*10 -6 në 0.8 Ohm/cm. Rezistenca minimale është një rend i madhësisë më i ulët se ai i grafitit. Shumica e nanotubave kanë përçueshmëri metalike, dhe një pjesë më e vogël shfaq vetitë e një gjysmëpërçuesi me një hendek brezi nga 0,1 në 0,3 eV.

Studiuesit francezë dhe rusë (nga IPTM RAS, Chernogolovka) zbuluan një tjetër veti të nanotubave, siç është superpërçueshmëria. Ata matën karakteristikat e tensionit aktual të një nanotubi individual me një mur me një diametër prej ~ 1 nm, një numër të madh nanotubash me një mur të mbështjellë në një pako, si dhe nanotuba individualë me shumë mure. Rryma superpërcjellëse në temperatura afër 4K është vërejtur midis dy kontakteve metalike superpërcjellëse. Karakteristikat e transferimit të ngarkesës në një nanotub ndryshojnë ndjeshëm nga ato të natyrshme në përçuesit e zakonshëm tre-dimensionale dhe, me sa duket, shpjegohen nga natyra njëdimensionale e transferimit.

Gjithashtu, de Geer nga Universiteti i Lozanës (Zvicër) zbuloi një veti interesante: një ndryshim të mprehtë (rreth dy rend të madhësisë) në përçueshmëri me një kthesë të vogël, 5-10° të një nanotubi me një mur. Kjo veti mund të zgjerojë gamën e aplikimeve të nanotubave. Nga njëra anë, nanotubi rezulton të jetë një konvertues i gatshëm, shumë i ndjeshëm i dridhjeve mekanike në një sinjal elektrik dhe mbrapa (në fakt, është një aparat telefonik i gjatë disa mikronë dhe rreth një nanometër në diametër) dhe, nga ana tjetër, është një sensor pothuajse i gatshëm i deformimeve më të vogla. Një sensor i tillë mund të gjejë aplikim në pajisjet që monitorojnë gjendjen e përbërësve mekanikë dhe pjesëve nga të cilat varet siguria e njerëzve, për shembull, pasagjerët e trenave dhe aeroplanëve, personeli i termocentraleve bërthamore dhe termike, etj.

Kapilare. Eksperimentet kanë treguar se një nanotub i hapur ka veti kapilare. Për të hapur nanotubin, duhet të hiqni pjesën e sipërme - kapakun. Një metodë e heqjes është pjekja e nanotubave në një temperaturë prej 850 0 C për disa orë në një rrjedhë të dioksidit të karbonit. Si rezultat i oksidimit, rreth 10% e të gjithë nanotubave bëhen të hapur. Një mënyrë tjetër për të shkatërruar skajet e mbyllura të nanotubave është njomja e tyre në acid nitrik të koncentruar për 4.5 orë në një temperaturë prej 2400 C. Si rezultat i këtij trajtimi, 80% e nanotubave bëhen të hapur.

Studimet e para të fenomeneve kapilare treguan se lëngu depërton në kanalin e nanotubit nëse tensioni i tij sipërfaqësor nuk është më i lartë se 200 mN/m. Prandaj, për të futur ndonjë substancë në nanotuba, përdoren tretës me tension të ulët sipërfaqësor. Për shembull, për të futur nanotuba të disa metaleve në kanal, përdoret acid nitrik i koncentruar, tensioni sipërfaqësor i të cilit është i ulët (43 mN/m). Më pas pjekja kryhet në 4000 C për 4 orë në një atmosferë hidrogjeni, gjë që çon në reduktimin e metalit. Në këtë mënyrë u përftuan nanotuba që përmbanin nikel, kobalt dhe hekur.

Së bashku me metalet, nanotubat e karbonit mund të mbushen me substanca të gazta, siç është hidrogjeni molekular. Kjo aftësi është e një rëndësie praktike sepse hap mundësinë e ruajtjes së sigurt të hidrogjenit, i cili mund të përdoret si lëndë djegëse miqësore me mjedisin në motorët me djegie të brendshme. Shkencëtarët ishin gjithashtu në gjendje të vendosnin brenda një nanotubi një zinxhir të tërë fullerene me atome gadolinium të ngulitur tashmë në to (shih Fig. 5).

Oriz. 5. Brenda C60 brenda një nanotubi me një mur

reaksion në acidin sulfurik që përmban anhidrid krom. Megjithatë, heqja paraprake e pjesës së madhe të granulave të nanodiamantit është e nevojshme. Referencat 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. Rruga drejt modifikimit të nanodiamantit të shpërthimit // Diamanti dhe materialet e lidhura, 2006, vëll. 15, f. 296-299 2. Pat. 5-10695, Japoni (A), Solucioni i kromimit, Tokyo Daiyamondo Kogu Seisakusho K.K., 27.04.1993 3. Dolmatov, V.Yu. Diamantet ultrafine të sintezës së shpërthimit si bazë e një klase të re të veshjeve galvanike të përbërë metal-diamanti / V.Yu. Dolmatov, G.K. Burkat // Materiale super të forta, 2000, T. 1.- P. 84-94 4. Gregory R. Flokulimi dhe sedimentimi - parimet themelore // Spec. Chem., 1991, vëll. 11, nr.6, f. 426-430 UDC 661,66 N.Yu. Biryukova1, A.N. Kovalenko1, S.Yu. Tsareva1, L.D. Iskhakova2, E.V. Zharikov1 Universiteti Kimiko-Teknologjik Rus me emrin. DI. Mendeleev, Moskë, Rusi Qendra Shkencore për Fiber Optikë RAS, Moskë, Rusi 1 2 PURIFIKIMI I NANOTUBËVE KARBONI TË PËRFITUAR NGA METODA E PIROLIZËS KATALITIKE TË BENZENIT Në këtë punim rezultatet e studimeve eksperimentale të pastrimit dhe ndarjes fizike të nanotubeve me shumë mure dhe na. janë paraqitur metodat kimike. Efikasiteti i çdo faze është kontrolluar duke studiuar karakteristikat morfologjike të produkteve të pirolizës. Punimi paraqet rezultatet e studimeve eksperimentale të pastrimit dhe ndarjes së nanotubave të karbonit me shumë mure duke përdorur metoda fizike dhe kimike. Efektiviteti i çdo faze pastrimi u monitorua nga ndryshimet në karakteristikat morfologjike të produkteve të pirolizës. Metoda e pirolizës katalitike të hidrokarbureve është një nga metodat premtuese për sintezën e nanotubave të karbonit. Metoda bën të mundur marrjen e nanotubave me një mur, me shumë mure, grupe të orientuara të nanostrukturave të karbonit me organizimin e duhur të parametrave të sintezës. Në të njëjtën kohë, produkti i përftuar nga piroliza e përbërjeve që përmbajnë karbon, së bashku me nanotubat, përmban një sasi të konsiderueshme papastërtish, si grimca katalizatore, karbon amorf, fullerene etj. Për të hequr këto papastërti, zakonisht përdoren metoda fizike ( centrifugimi, ultratingulli, filtrimi) në kombinim me kimikatet (oksidimi në gaz ose media të lëngshme në temperatura të ngritura). Puna testoi një teknikë të kombinuar për pastrimin dhe ndarjen e nanotubave me shumë mure nga nënproduktet dhe përcaktoi efektivitetin e reagentëve të ndryshëm. Depozita fillestare u përftua nga piroliza katalitike e benzenit duke përdorur pentakarbonil hekuri si parakatalizues. Depozita u trajtua me acide klorhidrik, sulfurik dhe nitrik. Agregatet e nanotubave u ndanë me ultratinguj në një frekuencë prej 22 kHz. Për të ndarë depozitën në fraksione, u përdor centrifugimi (3000 rpm, koha e përpunimit - deri në 1 orë). Përveç acidit, trajtimi termik i nanotubave duke përdorur U S P E X I u përdor gjithashtu në kimi dhe teknologji kimike. Vëllimi XXI. 2007. Nr 8 (76) 56 ajri. Për të arritur pastrimin më të mirë, u krijua sekuenca optimale e metodave të ndryshme. Karakteristikat morfologjike të produkteve të pirolizës dhe shkalla e pastrimit u monitoruan nga mikroskopi elektronik skanues, spektroskopia Raman dhe analiza e fazës me rreze X. UDC 541.1 E.N. Golubina, N.F. Kizim, V.V. Instituti Moskalenko Novomoskovsk i Universitetit Kimiko-Teknologjik Rus me emrin. DI. Mendeleev, Novomoskovsk, Rusi NDIKIMI I NANOSTRUKTURAVE NË TIPARET E EKSTRAKTIMIT NË SISTEM UJI – ErCl3 – D2EHPA – KINETIKA HEPTANI Tipari kinetik i Er(III) i nxjerrë nga zgjidhja e D2EHPA në lakoren e përqendruar në zonën e saj të lartë të heptanit (norma e lartë e heptanit). akumulimi në shtresat ndërfaqesore dinamike në fillim të procesit, disponimi ekstrem i rishikuar në varësi të trashësisë së shtresave ndërfaqesore dinamike nga elementi i raportit të përqendrimit dhe tretësi) tregohen në një pjesë të konsiderueshme të nanostrukturave në procesin e nxjerrjes. Karakteristikat kinetike të nxjerrjes së erbiumit (III) nga tretësirat e D2EHPA në heptan (pllajat e përqendrimit në kthesat kinetike, shkalla e lartë e akumulimit të tij në DMS në fillim të procesit, natyra ekstreme e varësisë së trashësisë së vëzhguar i DMS në raportin e përqendrimeve të elementit dhe ekstraktuesit) tregojnë rolin domethënës të nanostrukturave në procesin e nxjerrjes. Dihet se në sistemet e ekstraktimit mund të shfaqen nanoobjekte të ndryshme: shtresa adsorbimi, micela, xhel micellar, vezikula, xhel polimer, xhel kristalor, mikroemulsion, nanodispersion, emulsion. Në veçanti, në sistemin La(OH)3-D2EHPA-dekan-ujë formohet një organogel, struktura hapësinore e të cilit është ndërtuar nga grimca në formë shufre me diametër ≈0,2 dhe gjatësi 2-3 μm. Kripa e natriumit e D2EHPA në mungesë të ujit formon micela cilindrike të kundërt me një rreze prej 53 nm. Në prerjen tërthore të micelës gjenden tre molekula të NaD2EHP, të orientuara me grupe polare drejt qendrës dhe zinxhirë hidrokarbure drejt tretësit organik. Gjendja e një grilë të tillë varet nga natyra e elementit. Në rastin e Co(D2EHP)2, strukturat makromolekulare formohen me numër grumbullimi më të madh se 225. Në rastin e Ni(D2EHP)2 (mundësisht Ni(D2EHP)2⋅2H2O), shfaqen agregate me numër grumbullimi ≈5.2. . Në kushte të caktuara, është i mundur formimi i strukturave molekulare polimer me një rreze hidrodinamike prej ≈15 nm. Kur lantanumi nxirret me solucione D2EHPA, formohet alkil fosfat lantanum i rëndë dhe strukturalisht i ngurtë, i cili shkakton një ulje të elasticitetit të monoshtresës së alkil fosfatit të lantanit në ndërfaqen e fazës. Formimi i nanostrukturave ndikon si në vetitë e ekuilibrit të sistemit ashtu edhe në kinetikën e procesit. Nxjerrja e elementeve të tokës së rrallë ndërlikohet nga shfaqja e proceseve të shumta ndërfaqesore, si shfaqja dhe zhvillimi i konvekcionit spontan të sipërfaqes (SSC), formimi i një pengese strukturore-mekanike, shpërndarja fazore, etj. Si rezultat i reaksionit kimik midis D2EHPA dhe elementit, formohet një kripë pak e tretshme, e cila shkakton formimin e nanostrukturave sipas mekanizmit "nga më e vogla në më të madhe". Qëllimi i kësaj pune ishte të përcaktonte ndikimin e nanostrukturave në veçoritë kinetike të nxjerrjes së erbiumit (III) me tretësirat e D2EHPA në heptan. U S P E X I në kimi dhe teknologji kimike. Vëllimi XXI. 2007. Nr 8 (76) 57

Dërgoni punën tuaj të mirë në bazën e njohurive është e thjeshtë. Përdorni formularin e mëposhtëm

Studentët, studentët e diplomuar, shkencëtarët e rinj që përdorin bazën e njohurive në studimet dhe punën e tyre do t'ju jenë shumë mirënjohës.

Postuar në http://www.allbest.ru/

Prezantimi

Nanoteknologjia - shkenca e prodhimit dhe vetive të elementeve teknike në nivel atomik dhe molekular - është tashmë në buzët e të gjithëve. Nanopajisjet dhe nanomakinat e bëra nga elementë të tillë tashmë po lëvizin nga sfera e fantazisë në jetën moderne. Dhe pjesë e kësaj shkence është dega në rritje e shpejtë e kërkimit të nanotubeve dhe fullerenit, e cila ka tërhequr qindra grupe kërkimore të fizikanëve, kimistëve dhe shkencëtarëve të materialeve.

Problemi i krijimit të nanostrukturave me veti të specifikuara dhe madhësi të kontrolluara është një nga problemet më të rëndësishme të shekullit të 21-të. Zgjidhja e tij do të revolucionarizojë elektronikën, shkencën e materialeve, mekanikën, kiminë, mjekësinë dhe biologjinë.

Nanotubat e karbonit (CNT) janë sisteme unike makromolekulare. Diametri i tyre shumë i vogël nanometër dhe gjatësia e madhe mikron tregojnë se ato janë më afër në strukturë me sistemet ideale njëdimensionale (ID). Prandaj, CNT-të janë objekte ideale për testimin e teorisë së fenomeneve kuantike, në veçanti të transportit kuantik në sistemet e gjendjes së ngurtë me dimensione të ulëta. Ata janë kimikisht dhe termikisht të qëndrueshëm deri në të paktën 2000 K, kanë përçueshmëri të shkëlqyer termike dhe forcë unike dhe karakteristika mekanike.

Thjeshtësia e strukturës së nanotubave lejon zhvillimin e modeleve teorike të strukturave të bëra prej tyre. Prandaj, aplikime të reja të papritura presin CNT-të në të ardhmen, veçanërisht për aplikime në biologji (manipulim i molekulave brenda një qelize, rrjete nervore artificiale, memorie nanomekanike, etj.).

1. Nanotuba me një mur

1.1 Hapja

Në fillim të vitit 1993, disa grupe shkencëtarësh njoftuan se materialet e huaja mund të futeshin në nanogrimca karboni ose nanotuba duke përdorur elektroda të modifikuara përmes një procesi avullimi me hark. Grupi i Rodney Ruoff në Kaliforni dhe grupi i Yahachi Saito në Japoni përftuan kristale të inkapsuluara LaC 2 duke përdorur elektroda të dopuara me lantanum, ndërsa Suppapan Serafin dhe kolegët raportuan se YC 2 mund të përfshihet në nanotuba duke përdorur elektroda që përmbajnë ittrium. Kjo punë hapi një fushë krejtësisht të re të bazuar në nanogrimcat dhe nanotubat si "kontejnerë molekularë", por gjithashtu çoi në mënyrë indirekte në një zbulim krejtësisht të ndryshëm me aplikime po aq të rëndësishme.

Donald Bethune dhe kolegët e tij në Qendrën Kërkimore IBM Almaden në San Luis, Kaliforni, u interesuan shumë për artikujt e Ruoff dhe të tjerëve. Ky grup po punonte mbi materialet magnetike në aplikimet e tyre për ruajtjen e informacionit dhe besonte se kristalitet e metalit kalimtar feromagnetik të mbyllur me karbon mund të ishin shumë të vlefshëm në këtë fushë. Në materiale të tilla, grimcat metalike të kapsuluara duhet të ruajnë momentet e tyre magnetike dhe në të njëjtën kohë të izolohen kimikisht dhe magnetikisht nga fqinjët e tyre. Për disa vite ky grup i IBM-së punoi në "fulerenet eshuedral"; fullerene që përmbajnë një numër të vogël atomesh metali brenda. Por grupimet ose kristalet e mëdha brenda qelizave të ngjashme me fullerene mund të jenë me interesin më të madh praktik. Prandaj, Bethune vendosi të provonte disa eksperimente të avullimit të harkut duke përdorur elektroda të ngopura me metalet e tranzicionit ferromagnetik hekur, kobalt dhe nikel. Megjithatë, rezultati i këtij eksperimenti nuk ishte aspak ai që pritej. Para së gjithash, bloza e prodhuar nga avullimi me hark nuk ishte e ngjashme me materialin e zakonshëm të prodhuar nga avullimi me hark i grafitit të pastër. Shtresat e blozës vareshin si rrjetë merimange nga muret e dhomës, ndërsa materiali i depozituar në mure kishte teksturë gome dhe mund të gërvishtej në shirita. Kur Bethune dhe kolegu i tij Robert Beyers testuan këtë material të ri të çuditshëm duke përdorur mikroskop elektronik me rezolucion të lartë, ata u mahnitën kur zbuluan se ai përmbante shumë nanotuba me mure të njëjta si një shtresë e vetme atomike. Këta tuba të bukur u përzien me blozë amorfe dhe grimca metali ose karabit metalik që e mbanin materialin në një formë që përputhej me strukturën e tij të çuditshme. Kjo punë u pranua për botim në Nature dhe u shfaq në qershor 1993. Mikrografitë nga ky artikull janë paraqitur në Figurën 1.1.

Figura 1.1 - Pamje nga puna e Bethune et al., që tregojnë nanotubat karboni me një mur të prodhuar nga bashkëavullimi i grafitit dhe kobaltit. Tubat kanë diametër rreth 1.2 nm.

Në mënyrë të pavarur nga grupi amerikan, Sumio Iijima dhe Toshinari Ichihashi nga NEC Laboratories në Japoni eksperimentuan gjithashtu me avullimin e harkut duke përdorur elektroda të modifikuara. Përveç kësaj, ata ishin të interesuar për efektin e ndryshimit të atmosferës brenda dhomës së avullimit të harkut. Ashtu si Bethune dhe kolegët e tij, ata zbuluan se në kushte të caktuara prodhohet një lloj krejtësisht i ndryshëm blozë, i ndryshëm nga ai që zakonisht formohet nga avullimi i harkut. Për këtë studim, shkencëtarët japonezë inkorporuan hekurin në elektrodat e tyre dhe përdorën një përzierje metani dhe argoni në vend të heliumit si atmosferë. Kur u ekzaminua nga mikroskopi elektronik me rezolucion të lartë, u zbulua se materiali i avullimit të tillë të harkut përmbante nanotuba shumë të shquar, të shtrirë si fije midis grupimeve të materialit amorf ose grimcave metalike. Nanotubat me një mur ndryshojnë nga ato të prodhuara nga avullimi i vazhdueshëm i harkut, pasi kanë një shpërndarje me diametër shumë të ngushtë. Në rastin e tubave "të rregullt", diametri i brendshëm varion nga 1,5 në 15 nm, dhe diametri i jashtëm varion nga 2,5 në 30 nm. Nga ana tjetër, nanotubat me një mur kanë të gjithë diametra shumë të ngjashëm. Në materialin e Bethune dhe kolegëve, nanotubat kishin diametër prej 1.2 (±0.1) nm, ndërsa Iijimai Ichihashi zbuloi se diametrat e tubave varionin nga 0.7 në 1.6 nm, me qendër rreth 1.05 nm. Ashtu si tubat e prodhuar nga avullimi konvencional i harkut, nanotubat me një mur ishin të gjithë të mbuluar dhe nuk kishte asnjë dëshmi të pranisë së grimcave të katalizatorit metalik në skajet e këtyre tubave. Megjithatë, besohet se rritja e nanotubave me një mur është në thelb katalitik.

1.2 Puna e mëvonshme në nanotubat me një mur

Në vijim të kërkimit fillestar themelor, Donald Bethune dhe kolegët e tij në IBM në San Jose, në bashkëpunim me shkencëtarët nga Caltech, Instituti Politeknik dhe Universiteti Shtetëror i Virxhinias, kryen një sërë studimesh mbi përgatitjen e nanotubave me një mur duke përdorur një sërë "katalizatorë". Në një nga seritë e para, ata treguan se shtimi i squfurit dhe kobaltit në anodë (qoftë si S i pastër ose CoS) rezultoi në nanotuba me një gamë më të gjerë diametrash sesa ato të prodhuara vetëm me kobalt. Kështu, nanotubat me një mur me diametër nga 1 deri në 6 nm u përftuan kur squfuri u gjet në katodë, krahasuar me 1-2 nm në rastin e kobaltit të pastër. Më pas u tregua se bismuti dhe plumbi mund të nxisin në mënyrë të ngjashme formimin e tubave me diametër të madh.

Në vitin 1997, një grup francez tregoi se edhe me avullimin e harkut është e mundur të arrihet një rendiment i lartë i nanotubave. Metoda e tyre ishte e ngjashme me teknikën origjinale të Bethune dhe kolegëve të tij, por ata përdorën një gjeometri paksa të ndryshme të reaktorit. Gjithashtu, katalizatori i përdorur ishte një përzierje nikel/itriumi dhe jo kobalti i preferuar nga grupi i Bethune. U zbulua se numri më i madh i nanotubave u formua në "jakën" rreth depozitës së katodës, e cila përbënte afërsisht 20% të masës totale të materialit të avulluar. Rendimenti i plotë i tubave u vlerësua në 70-90%. Ekzaminimi i materialit të jakës me mikroskop elektronik me rezolucion të lartë zbuloi praninë e shumë tufave tubash me një diametër prej rreth 1.4 nm. Ky rendiment dhe pamja e tubave që rezultojnë janë të ngjashme me mostrat "pako" të grupit Smalley duke përdorur avullimin me lazer.

Në fund të vitit 1993, Shekhar Subramoni nga DuPont në Wilmington, Delaware, në bashkëpunim me studiues në SPI International, përshkroi prodhimin e nanotubave me një mur në një mënyrë tjetër. Këta shkencëtarë përdorën avullimin e harkut duke përdorur elektroda të mbushura me gadolinium për të mbledhur blozën nga muret e reaktorit. Së bashku me sasi të mëdha karboni amorf, bloza përmbante struktura të tipit "iriq deti" që përmbanin nanotuba me një mur që rriteshin në grimca relativisht të mëdha karabit gadolinium (me dimensione tipike prej dhjetëra nanometra). Tuba të tillë ishin më të shkurtër se ato të fituara me metale të grupit të hekurit, por kishin të njëjtin gamë diametrash. Hulumtimet e mëvonshme treguan se nanotubat radial me një mur mund të formohen në një sërë metalesh të tjera, duke përfshirë lantanin dhe itrin. Figura 1.2, marrë nga puna e Saito dhe kolegëve, tregon një imazh tipik të nanotubave me një mur që rriten në mënyrë radiale nga një grimcë që përmban lantanum. Ndryshe nga metalet e grupit të hekurit, elementët e tokës së rrallë nuk njihen si katalizatorë për prodhimin e nanotubave me shumë mure, kështu që formimi i tubave mbi to është mjaft befasues. Fakti që tubat rriten në grimca relativisht të mëdha sugjeron se ky mekanizëm i rritjes është i ndryshëm. Është sugjeruar që rritja e tubit në sipërfaqet e grimcave mund të përfshijë lëshimin e atomeve të karbonit të mbingopur nga brendësia e grimcave të karabit. Vini re se rritja radiale e tubave me shumë shtresa të grimcave katalitike u vëzhgua shumë vite më parë nga Baker dhe të tjerët.

Metodat e diskutuara deri më tani për prodhimin e nanotubave me një mur përfshijnë avullimin e harkut duke përdorur elektroda të modifikuara. Puna e Smalley dhe kolegëve të tij tregoi se nanotubat me një mur mund të sintetizohen gjithashtu duke përdorur një metodë thjesht katalitike. Katalizatori, duke përdorur grimca molibden me diametër disa nanometra, ishte vendosur në alumin. E gjithë kjo u vendos brenda një furre në formë tubi, përmes së cilës kalohej monoksidi i karbonit në një temperaturë prej 1200 °C. Kjo temperaturë është shumë më e lartë se ajo që përdoret zakonisht në prodhimin katalitik të nanotubave, gjë që mund të shpjegojë pse formohen nanotuba me një mur dhe jo me shumë mure.

Tubat me një shtresë të përgatitur në mënyrë katalitike kishin një sërë karakteristikash interesante që i dallonin nga tubat e sintetizuara nga avullimi me hark. Së pari, tubat katalitikë zakonisht kishin grimca të vogla metalike të ngjitura në fund, ashtu si tubat me shumë shtresa të prodhuara nga kataliza. Kishte gjithashtu një gamë të gjerë të diametrave të grimcave (afërsisht 1-5 nm), dhe dukej se diametri i çdo tubi përcaktohej nga diametri i grimcave përkatëse të katalizatorit. Së fundi, tubat me një shtresë të formuar në mënyrë katalitike zakonisht ishin të izoluara dhe jo të bashkuara, siç është rasti me tubat e avulluar me hark.

Këto vëzhgime e çuan Smalley dhe kolegët e tij të propozonin një mekanizëm rritjeje për tubat e formuar në mënyrë katalitike që përfshin formimin fillestar të një kapaku me një shtresë (të cilin ata e quajtën yarmulke, emri hebraik për një kafkë), e ndjekur nga rritja e këtij kapaku si ai shkëputet nga grimcat katalitike, të cilat më pas largohen nga tubi. Ky mekanizëm është krejtësisht i ndryshëm nga ai që ata propozuan për rritjen e tubave me një shtresë me avullim lazer.

Figura 1.2 - Nanotuba me një mur që rriten në një grimcë lantanumi

Figura 1.3 - Imazhet TEM të mostrave nga "tufat" e nanotubave me një mur (a)

Imazhi me rezolucion të ulët që tregon një numër të madh paketash, (b) Mikrografi me rezolucion të lartë të një grupi individual të paraqitur përgjatë boshtit të tij.

1.3 "Paketat" e nanotubave

Që nga zbulimi i C60 në Rais në 1985, grupi i Smalley është fokusuar në përdorimin e lazerëve në sintezën e materialeve të ngjashme me fullerene. Në vitin 1995, ata raportuan për zhvillimin e teknologjisë së sintezës lazer, e cila i lejoi ata të merrnin nanotuba me një mur me rendiment të lartë. Përmirësimet e mëvonshme të kësaj metode çuan në prodhimin e nanotubave me një mur me diametra jashtëzakonisht uniformë. Rendimenti më i mirë i nanotubave uniforme me një mur u përftua me një përzierje katalitike të përbërë nga pjesë të barabarta Co dhe Ni, dhe u përdor një puls i dyfishtë për të siguruar avullim më uniform të një objektivi të tillë.

Disa mikrografë të materialit të marrë nga kjo teknologji janë paraqitur në figurën 1.3. Në pamje të përgjithshme është shumë i ngjashëm me materialin e avullimit të harkut. Megjithatë, tubat individualë priren të formojnë "tufa" ose tufa të zgjatura që përbëhen nga tuba individualë me të njëjtin diametër. Ndonjëherë ishte e mundur të zbuloheshin tufa që kalonin në një distancë të afërt nga drejtimi i rrezes së elektronit, në mënyrë që ato të mund të shiheshin "nga fundi në fund", si në Figurën 1.3 (b). Përveç mikroskopit elektronik, Smalley dhe kolegët kryen matje të difraksionit me rreze X në mostrat e litarit në bashkëpunim me John Fisher dhe bashkëautorët e tij në Universitetin Shtetëror të Pensilvanisë. Janë marrë reflektime të mirëpërcaktuara nga grila dydimensionale, duke konfirmuar se tubat kishin të njëjtat diametra. U gjet një marrëveshje e mirë me të dhënat eksperimentale me supozimin se diametri i nanotubave ishte 1.38 nm me një gabim prej ±0.02 nm. Hendeku van der Waals midis tubave u gjet të ishte 0.315 nm, i ngjashëm me atë të kristalit C60. Nga studimet XRD, u arrit në përfundimin se këto tufa përbëhen kryesisht nga (10,10) nanotuba të kolltukut. Kjo u konfirmua qartë nga matjet e nanodifraksionit elektronik të rrezes elektronike, në mënyrë që ato të mund të shiheshin "nga fundi në fund", si në figurën 1.3 (b).

2. Teoritë e rritjes së nanotubave

2.1 Shënime të përgjithshme

Është e rëndësishme që së pari të merret parasysh efekti në rritjen e strukturës së tubit. Në punimin e tij Nature të vitit 1991, Iijima vuri në dukje se një strukturë spirale dukej se ishte e preferueshme sepse tuba të tillë kanë një hap të përsëritur në fundin e rritjes. Ky supozim, i ilustruar në Figurën 2, është shumë i ngjashëm me pamjen e një zhvendosjeje vidë në sipërfaqen e një kristali. Kolltuku dhe nanotubat zigzag nuk e kanë këtë strukturë të preferuar për rritje dhe duhet të kërkojnë bërthama të përsëritura të një unaze të re gjashtëkëndëshe. Kjo sugjeron që nanotubat spirale duhet të vëzhgohen më shpesh sesa nanotubat e kolltukut ose zigzag, megjithëse aktualisht nuk ka prova të mjaftueshme eksperimentale për ta mbështetur këtë.

Figura 2. - Vizatimi i dy tubave spirale koncentrike, që tregojnë praninë e hapave në skajet e rritjes (5)

Tjetra, ekziston një pyetje shumë e rëndësishme për mekanizmin e rritjes - a kanë tubat e rritjes skaje të mbyllura apo të hapura? Një model i hershëm i rritjes së nanotubave, i propozuar fillimisht nga Endo dhe Kroto, favorizoi një mekanizëm të mbyllur. Ata supozuan se atomet e karbonit mund të futeshin në një sipërfaqe të mbyllur të fullerenit në vendet në afërsi të unazave pesëkëndore, e ndjekur nga një kalim në një gjendje ekuilibri, që do të rezultonte në një shtrirje të vazhdueshme të fullerenit origjinal. Në mbështetje të kësaj ideje, Endo dhe Croteau cituan demonstrimin e Ulmer dhe kolegëve se C60 dhe C70 mund të rriten qartë në fullerene të mëdha kur shtohen fragmente të vogla karboni.

Ndërsa mekanizmi Endo-Croteau ofron një shpjegim të besueshëm për rritjen e nanotubave me një mur, mbetet një sfidë e madhe për të shpjeguar rritjen me shumë shtresa. Në shqyrtimin e tyre, modelet Endo dhe Croteau sugjerojnë se rritja me shumë shtresa mund të ndodhë "epitaksialisht". Nëse është kështu, duket se nuk ka asnjë arsye të qartë pse një shtresë e dytë nuk duhet të fillojë të rritet menjëherë pas formimit të fullerenit fillestar dhe pasi shtresa e dytë të mbyllet, çdo zgjatim i mëtejshëm i tubit të brendshëm duhet të bëhet i pamundur. Por kjo është në kundërshtim me vëzhgimin se shumica e tubave janë me shumë shtresa përgjatë gjithë gjatësisë së tyre. Një model i tillë gjithashtu ka vështirësi në shpjegimin e strukturave të ndarjeve të shumta. Për këto arsye, mekanizmi i rritjes së mbyllur Endo-Croto nuk është pranuar gjerësisht.

Përfundimi se mekanizmi i rritjes duhet të ndodhë me skajin e hapur të tubit është në disa mënyra më i preferueshëm. Siç tha Richard Smalley, "Nëse kemi mësuar ndonjë gjë që nga viti 1984-1985 për mënyrën se si kondensohet karboni, është se fletët e hapura duhet të lidhin lehtësisht pesëkëndëshat për të eliminuar lidhjet e varura." Problemi i mbajtjes së tubave me skaj të hapur në kushte të favorshme për mbylljen e tij është një nga ato probleme që është konsideruar nga një sërë autorësh.

2.2 Pse nanotubat mbeten të hapur gjatë rritjes

Disa autorë, veçanërisht Smalley dhe kolegët, kanë sugjeruar që fusha elektrike në hark mund të luajë një rol të rëndësishëm në mbajtjen e tubave të hapur gjatë rritjes. Më saktë, kjo duhet të kishte ndihmuar për të kuptuar pse nanotubat nuk gjenden kurrë në blozën e kondensuar në muret e dhomës së avullimit të harkut. Megjithatë, llogaritjet kanë treguar se ulja e shkaktuar nga fusha në energjinë e hapur nuk është e mjaftueshme për të stabilizuar konfigurimin e hapur, përveç në fusha jorealiste të larta. Prandaj, u zhvillua një model elegant në të cilin atomi "ngjitet në vend" midis shtresave, duke ndihmuar në stabilizimin e formimit të skajit të hapur në vend që ta mbyllni atë.

Kjo ide u konfirmua nga eksperimentet mbi mbylljen e nanotubave individualë me shumë mure me dhe pa aplikimin e një ndryshimi tensioni. Një model i tillë mund të ndihmojë në kuptimin e rritjes së nanotubave në një hark, por nuk mund të zbatohet në rastin e rritjes së tubave ku fusha të forta elektrike nuk janë të pranishme. Kjo ka bërë që disa autorë të propozojnë se vetëm ndërveprimet ndërmjet tubave koncentrikë të integruar mund të jenë thelbësore për stabilizimin e tubave të hapur.

Një analizë e hollësishme e ndërveprimit të dy tubave të kombinuar u krye nga Jean-Christophe Charlier dhe kolegët duke përdorur metoda të dinamikës molekulare. Ata shikuan një tub (10,0) brenda një tubi (18,0) dhe zbuluan se lidhjet lidhëse u krijuan midis skajeve të dy tubave. U zbulua se në temperatura të larta (3000 K) konfigurimi i strukturave lidhëse kohezive luhatet vazhdimisht. Supozohej se struktura e luhatshme duhet të krijojë vende aktive për adsorbimin dhe futjen e atomeve të reja të karbonit, duke nxitur kështu rritjen e tubit.

Problemi me këtë teori është se ajo nuk mund të shpjegojë rritjen e tubave me një mur me diametër të madh nën ndikimin termik në blozën fullerene. Në përgjithësi, aktualisht, duket se nuk ka një shpjegim të plotë për rritjen e nanotubave të hapur.

2.3 Vetitë e plazmës së harkut

Shumica e modeleve të rritjes së nanotubave të diskutuara më parë supozojnë se tubat bërthamohen dhe rriten në plazmën e harkut. Megjithatë, disa autorë kanë marrë në konsideratë gjendjen fizike të vetë plazmës dhe rolin e saj në formimin e nanotubave. Diskutimi më i detajuar i këtij problemi u krye nga Evgeniy Gamaley, një ekspert në fizikën e plazmës, dhe Thomas Ebbesen (30, 31). Kjo është një çështje komplekse dhe vetëm një përmbledhje e shkurtër është e mundur këtu.

Gamaley dhe Ebbesen fillojnë me supozimin se nanotubat dhe nanogrimcat formohen në rajonin e harkut pranë sipërfaqes së katodës. Pra, ata analizojnë densitetin dhe shpejtësinë e avullit të karbonit në zonë, duke marrë parasysh temperaturën dhe vetitë e vetë harkut, në mënyrë që të zhvillojnë modelin e tyre. Ata besojnë se në shtresën e avullit të karbonit pranë sipërfaqes së katodës do të ketë dy grupe grimcash karboni me shpërndarje të ndryshme shpejtësie. Kjo ide është thelbësore për modelin e tyre të rritjes. Një grup i grimcave të karbonit duhet të ketë një Maxwellian, d.m.th. Shpërndarja izotropike e shpejtësisë që korrespondon me temperaturën e harkut (~ 4000 K). Grupi tjetër përbëhet nga jonet që përshpejtohen në hendekun midis ngarkesës hapësinore pozitive dhe katodës. Shpejtësia e këtyre grimcave të karbonit duhet të jetë më e madhe se shpejtësia e grimcave termike, në të cilin rast rrjedha duhet të jetë e drejtuar dhe jo izotropike. Procesi i formimit të nanotubave (dhe nanogrimcave) konsiderohet si një seri ciklesh, secila prej të cilave përbëhet nga hapat e mëposhtëm:

1.Formimi i embrionit. Në fillim të procesit të shkarkimit, shpërndarja e shpejtësisë së karbonit në shtresën e avulluar është kryesisht Maxwelliane dhe kjo çon në formimin e strukturave pa asnjë bosht simetrie, siç janë nanogrimcat. Ndërsa rryma bëhet më e drejtuar, fillojnë të formohen struktura të hapura, të cilat Gamaley dhe Ebbesen i konsiderojnë si fara për rritjen e nanotubave.

2. Rritja e tubave gjatë një shkarkimi të qëndrueshëm. Kur shkarkimi stabilizohet, një rrjedhë jonesh karboni depërton në shtresën e avullit në një drejtim pingul me sipërfaqen e katodës. Këto grimca karboni do të kontribuojnë në zgjatjen e nanotubave me një mur dhe me shumë mure. Meqenëse bashkëveprimi i grimcave të karbonit të drejtuar me një sipërfaqe të ngurtë duhet të jetë më intensiv se grimcat e karbonit të shtresës së avullit, rritja e strukturave të zgjeruara duhet të ketë përparësi mbi formimin e strukturave izotropike. Megjithatë, kondensimi i karbonit nga shtresa e avullit në sipërfaqen e katodës do të kontribuojë në trashjen e nanotubave.

3.Fundi i rritjes dhe mbyllja. Gamaley dhe Ebbesen vërejnë se nanotubat shpesh shihen duke u rritur në tufa dhe se në paketën e vëzhguar për të gjithë tubat, rritja dhe përfundimi ndodhin afërsisht në të njëjtën kohë. Kjo i bën ata të dyshojnë se paqëndrueshmëria ndodhin në shkarkimin e harkut, gjë që mund të çojë në përfundimin e papritur të rritjes së nanotubit. Paqëndrueshmëri të tilla mund të ndodhin nga lëvizja e paqëndrueshme e pikës së katodës përgjatë sipërfaqes së katodës ose nga ndërprerja dhe ndezja spontane e harkut. Në rrethana të tilla, grimcat e karbonit me një shpërndarje të shpejtësisë Maxwelliane do të mbizotërojnë përsëri, dhe kondensimi i karbonit të tillë përfundimisht do të çojë në mbylljen e tubit dhe përfundimin e rritjes.

2.4 Modele alternative

Shkencëtarët kanë paraqitur një teori krejtësisht të ndryshme të rritjes së nanotubave gjatë avullimit të harkut. Në këtë model, nanotubat dhe nanogrimcat nuk rriten në plazmën e harkut, por formohen në katodë si rezultat i transformimit të gjendjes së ngurtë. Kështu, rritja e nanotubave nuk është pasojë e veprimit të fushës elektrike, por është thjesht rezultat i ngrohjes shumë të shpejtë në temperatura të larta që përjeton materiali i depozituar në katodë gjatë veprimit të harkut. Kjo ide u nis nga vëzhgimi se nanotubat mund të përgatiten nga ekspozimi termik në temperaturë të lartë të karbonit të zi fullerene dhe parashikon një proces me dy hapa për rritjen e nanotubave në të cilin karboni i fullerenit është një produkt i ndërmjetëm. Modeli mund të përgjithësohet si më poshtë. Gjatë fazave fillestare të avullimit të harkut, materiali i ngjashëm me fullerene (plus fullerenet) duhet të kondensohet në katodë, dhe më pas materiali i kondensuar duhet t'i nënshtrohet temperaturave të larta ndërsa procesi i harkut vazhdon, duke çuar në formimin e nanotubit me një shtresë të parë. -struktura të ngjashme, dhe më pas nanotuba me shumë mure. Në këtë model me dy faza, veprimi kryesor është pjekja e blozës fullerene. Kështu, bloza e depozituar në muret e reaktorit, e cila përjeton pjekje relativisht të dobët, nuk shndërrohet në tuba. Nga ana tjetër, bloza që kondensohet në katodë duhet t'i nënshtrohet pjekjes së konsiderueshme: kjo do të çojë në formimin e tubave dhe nanogrimcave në formën e një mase të fortë. Prandaj, një model i tillë na lejon të shpjegojmë ndikimin e variablave të tillë si ftohja e elektrodës dhe presioni i heliumit në prodhimin e nanotubave. Duket se ftohja e ujit duhet të jetë thelbësor për të mbajtur temperaturën e katodës të ulët në nivelin e nevojshëm për të shmangur skorjet e tubave. Në mënyrë të ngjashme, roli i heliumit mund të shpjegohet me efektin e tij në temperaturën e depozitimit të katodës. Meqenëse heliumi është një përcjellës i shkëlqyer i nxehtësisë, presionet e larta duhet të shkaktojnë uljen e temperaturës së elektrodës, duke bërë që ajo të bjerë në një rajon ku rritja e nanotubit mund të ndodhë pa skorje.

2.5 Rritja e nanotubave me një mur

Së pari ne konsiderojmë rritjen e nanotubave me një mur në një avullues me hark. Ky proces ngre jo më pak pyetje sesa rritja e nanotubave me shumë mure në një hark. Ndër më të dukshmet janë këto: Pse vërehen vetëm nanotuba me një mur? Pse ka një shpërndarje kaq të ngushtë të diametrave të tubave? Cili është roli i metalit? Pse tubat rriten më shpesh në formën e tufave? Përsëri, ne kemi vetëm disa përgjigje përfundimtare për këto pyetje.

Një gjë që duket e qartë është se rritja e nanotubave me një mur duhet të drejtohet kryesisht nga kinetika dhe jo nga termodinamika, pasi tubat me diametra shumë të vegjël pritet të jenë më pak të qëndrueshëm se ata me diametra të mëdhenj. Mungesa e shumë shtresave është gjithashtu e kufizuar nga faktorët kinetikë. Lidhur me rolin e metalit, Bethune dhe kolegët e tij dhe Iijima dhe Ichihashi propozuan që atomet individuale të metalit ose grupet e vogla të tyre mund të veprojnë si katalizatorë për rritjen e fazës së avullit, analoge me mënyrën në të cilën grimcat e vogla metalike katalizojnë rritjen e tubave me shumë shtresa. . Përfshirja e atomeve individuale ose grupimeve të mirëpërcaktuara duhet të ndihmojë në shpjegimin e shpërndarjeve të madhësisë së ngushtë. Çuditërisht, megjithatë, grimcat katalitike duket se nuk janë vërejtur kurrë në majat e nanotubave me një mur. Edhe nëse grimcat katalitike ishin atome të vetme, ato mund të zbuloheshin nga mikroskopi elektronik me rezolucion të lartë ose mikroskopi elektronik i transmetimit skanues (STEM). Është e mundur që atomet ose grimcat katalitike të shkëputen gjatë mbylljes së tubave. Siç u përmend më lart, Bethune dhe kolegët treguan se shtimi i elementeve të tillë si squfuri në një metal mund të prishë shumë shpërndarjen e diametrave të tubave. Studimi i mëtejshëm i këtij fenomeni mund të ofrojë shpjegime të dobishme të mekanizmit të rritjes.

Një nga disa përpjekje për të zhvilluar një model të detajuar për rritjen e nanotubave me një mur u bë nga Ching-Hwa Kiang dhe William Goddard. Këta studiues sugjerojnë se unazat e polienit mund të shërbejnë si bërthama për formimin e nanotubave me një mur. Është treguar se struktura të tilla unazore duhet të jenë grimcat mbizotëruese në çiftet e karbonit, ndërsa strukturat me kornizë të mbyllur dominojnë në madhësi më të mëdha. Është supozuar se unazat e karbonit mund të jenë pararendës në formimin e fullereneve, megjithëse kjo mbetet e diskutueshme. Kiang dhe Goddard besojnë se materialet fillestare për formimin e nanotubave me një mur janë unazat monociklike të karbonit dhe grupimet e fazës së gazit të karabit kobalt, ndoshta të ngarkuar. Grupet e karbitit të kobaltit veprojnë si katalizatorë kur lidhen me unazat e C2 ose specieve të tjera. Këta autorë sugjerojnë se një konformacion specifik duhet të ndikojë në strukturën e nanotubit të sapolindur.

Smalley dhe kolegët, duke ndjekur sintezën e tyre të tufave të nanotubave, propozuan një mekanizëm rritjeje që ka disa ngjashmëri me mekanizmin Kiang dhe Goddard. Ky model bazohet në supozimin se të gjithë tubat kanë të njëjtën strukturë (10,10) të kolltukut. Kjo strukturë unike lejon që unazat e hapura gjashtëkëndore të "përndahen" nga lidhjet e trefishta, megjithëse ato duhet të jenë të tendosura ndjeshëm në krahasim me rregullimin e tyre origjinal linear. Më pas, grupi i Smalley-t hipotezon se një atom i vetëm nikeli do të absorbohet kimikisht në fund të tubit dhe do të "drejtojë" rreth periferisë (Figura 2.1), duke ndihmuar në pozicionimin e atomeve të karbonit në unazat gjashtëkëndore. Çdo strukturë lokale jo optimale, duke përfshirë pesëkëndëshat, do të reflektohet, kështu që një tub i tillë do të vazhdojë të rritet pafundësisht.

Këtu, si dhe për mekanizmat e tjerë të propozuar për rritjen e nanotubave me një mur, nuk ka asnjë provë të drejtpërdrejtë eksperimentale.

Figura 2.1 - Ilustrimi i mekanizmit të “skuterit” gjatë rritjes së (10,10) nanotubave të kolltukut.

Një numër grupesh shkencore në mbarë botën janë përpjekur të pastrojnë mostrat e nanotubave duke përdorur metoda të tilla si centrifugimi, filtrimi dhe kromatografia. Disa nga këto metoda përfshijnë përgatitjen fillestare të suspensioneve koloidale të materialit që përmban nanotuba duke përdorur surfaktantë. Për shembull, Jean-Marc Bonard dhe kolegët përdorën surfaktantin anionik të natriumit dodecacyclosulfate (SDS) për të arritur një pezullim të qëndrueshëm të nanotubave dhe nanogrimcave në ujë. Fillimisht, një metodë filtrimi u përdor për të ndarë nanotubat nga nanogrimcat, por ndarja më e suksesshme u arrit thjesht duke i lënë nanotubat të bien si flok, duke i lënë nanogrimcat në pezullim. Sedimenti më pas mund të hiqet dhe procedurat e mëtejshme të sedimentimit mund të vazhdohen. Kjo jo vetëm që lejoi nxjerrjen e nanogrimcave, por gjithashtu çoi në një ndarje të tubave përgjatë gjatësisë së tyre.

Një metodë tjetër për arritjen e ndarjes së madhësisë së nanotubave është përshkruar nga Duisberg dhe kolegët nga Instituti Max Planck në Shtutgart dhe Trinity College Dublin. Ndarja e tubave dhe materialeve të tjera u përftua përsëri në acidin SDN. Ndarja u krye më pas duke përdorur kromatografinë e përjashtimit të madhësisë (SEC). Kjo teknologji është përdorur gjerësisht për të ndarë makromolekulat biologjike dhe autorët demonstruan se mostrat e nanotubave mund të ndaheshin me sukses në fraksione me gjatësi të ndryshme tubash. Një disavantazh i mundshëm i përdorimit të sufaktantëve si SDN në pastrimin e nanotubave është se gjurmët e sulfaktantit mund të mbeten në produktin përfundimtar. Megjithatë, Bonard dhe kolegët treguan se ishte e mundur të reduktoheshin nivelet e SDN nën 0.1% duke larë.

3. Pastrimi i tubave me një shtresë

Janë zhvilluar gjithashtu metoda për pastrimin e tubave me një mur, megjithëse procesi kërkon më shumë përpjekje sesa për nanotubat me shumë mure. Përveç sasive të mëdha të karbonit amorf, nanotubat që përmbajnë karbon të zi përmban edhe grimca metalike, të cilat vetë shpesh janë të veshura me karbon. Për më tepër, metodat e ashpra të oksidimit të përdorura për të pastruar nanotubat me shumë mure janë gjithashtu shkatërruese për tubat me një mur.

Shkencëtarët japonezë përshkruan hap pas hapi procesin e eliminimit sekuencial të papastërtive të ndryshme. Hapi i parë përfshinte larjen e blozës së papërpunuar me ujë të distiluar për 12 orë, e ndjekur nga filtrimi dhe tharja. Kjo procedurë lejoi heqjen e disa grimcave të grafitit dhe karbonit amorf. Fullerenet u lanë me toluen në një aparat Soxclet. Më pas bloza u ngroh në 470°C në ajër për 20 minuta në mënyrë që të largoheshin grimcat metalike. Së fundi, bloza e mbetur u ekspozua ndaj acidit perklorik për të tretur grimcat metalike. Ekzaminimi i produktit përfundimtar me mikroskop elektronik dhe difraksioni me rreze x tregoi se shumica e ndotësve u hoqën, megjithëse disa nanogrimca të mbushura dhe të zbrazëta mbetën.

Smalley dhe kolegët zhvilluan një metodë për pastrimin e mostrave të nanotubave nga tufat duke përdorur mikrofiltrimin. Ata ishin të parët që përshkruan një teknikë për përdorimin e një surfaktant kationik për të përgatitur një suspension të nanotubave dhe materialit shoqërues në tretësirë, dhe më pas depozitimin e nanotubave në një membranë. Megjithatë, pas çdo filtrimi kërkohej filtrim i përsëritur me përgatitjen e një suspensioni për të arritur një nivel të konsiderueshëm pastrimi, gjë që e bën një procedurë të tillë shumë të ngadaltë dhe joefektive. Një metodë e përmirësuar është përshkruar në një letër ku është përdorur ultratingulli, duke e mbajtur materialin në pezullim gjatë filtrimit dhe duke lejuar kështu një proces të vazhdueshëm filtrimi të sasive të mëdha të mostrës. Në këtë mënyrë, u bë e mundur të pastrohet deri në 150 ml blozë brenda 3-6 orëve për të marrë një material që përmban më shumë se 90% SWNT.

Tubat me një shtresë mund të pastrohen gjithashtu duke përdorur kromatografi; Duisburg et al. përshkroi një metodë të ngjashme me atë të përdorur për MWNT dhe tregoi efektivitetin e saj për SWNTs.

4. Rreshtimi i mostrave të nanotubeve

nanotub karboni plazma e ngjashme me fullerene

Shumë nga metodat e përgatitjes të përshkruara më sipër prodhojnë mostra me nanotuba të orientuar rastësisht. Megjithëse tubat shpesh grupohen në tufa, vetë tufat në përgjithësi nuk janë të lidhura me njëra-tjetrën. Për matjen e vetive të nanotubave, do të ishte shumë e dobishme të kishim mostra në të cilat të gjithë tubat janë të rreshtuar në të njëjtin drejtim. Megjithëse metodat katalitike për përgatitjen e tubave të rreshtuar tashmë janë përshkruar, ishte gjithashtu e nevojshme të zhvillohen teknologji për rreshtimin e mostrave të tubave pas sintezës së tyre. Kështu, një nga metodat e para të tilla u propozua në vitin 1995 nga një grup nga Ecole Polytechnic Federale Lausanne në Zvicër. Ata përdorën një mostër MWNT të përgatitur nga avullimi me hark që ishte pastruar nga centrifugimi dhe filtrimi për të hequr nanogrimcat dhe ndotësit e tjerë. Filmat e hollë të nanotubave të pastruar u depozituan më pas në sipërfaqen e plastikës dhe imazhet SEM treguan se këta tuba u rreshtuan pingul me filmin në këtë gjendje të depozituar lirisht. U zbulua se tubat mund të rreshtoheshin paralelisht me sipërfaqen e kampionit, e cila më parë ishte fërkuar lehtë me teflon ose letër alumini. Autorët pretendojnë se filmat mund të bëhen "arbitrarisht të mëdhenj" me këtë metodë dhe ata i përdorën këto filma për të kryer eksperimente të emetimit në terren.

Një metodë tjetër për rreshtimin e nanotubave është futja e tubave në një matricë dhe më pas nxjerrja e matricës në një farë mënyre në mënyrë që tubat të rreshtohen në drejtimin e rrjedhës.

5. Kontrollimi i gjatësisë së nanotubave të karbonit

Një teknikë për prerjen individuale të nanotubave me një mur në gjatësi të kontrolluara u përshkrua nga studiuesit në Universitetet Delft dhe Rice në fund të vitit 1997. Nanotubat e përdorur u prodhuan nga avullimi me lazer nga grupi i Smalley dhe u depozituan në sipërfaqen e kristaleve të arit për ekzaminim duke skanuar tunelimin mikroskopi. Kur u identifikua një nanotub i përshtatshëm, skanimi u ndal dhe maja Pt/Ir u avancua në një pikë të zgjedhur në atë tub. Më pas reagimet u fikën dhe u aplikua një impuls i tensionit midis majës dhe mostrës për një periudhë të caktuar. Kur skanimi rifilloi, një thyerje ishte e dukshme në nanotub nëse prerja ishte e suksesshme. Është demonstruar se tubat individualë mund të priten deri në katër pozicione individuale. Është zbuluar se faktori kritik në procesin e prerjes është tensioni dhe jo rryma, tensioni minimal i kërkuar për procesin e prerjes duhet të jetë 4V.

Duke prerë nanotuba individualë në gjatësi të shkurtra, autorët ishin në gjendje të tregonin se vetitë elektrike të tubave të shkurtër ishin të ndryshme nga ato të nanotubave origjinalë. Këto dallime i atribuohen manifestimit të efekteve të madhësisë kuantike.

Përveç kontrollit të gjatësisë së nanotubave individualë, është e mundur të priten mostrat me shumicë të nanotubave me një mur në gjatësi të shkurtra. Kjo u demonstrua në vitin 1998 nga grupi i Smalley. Mënyra më efektive për të marrë mostra nga tubat e shkurtër (ato quheshin "tuba fullerene") është sonikimi i materialit të nanotubit në një tretësirë ​​të acideve sulfurik dhe nitrik. Gjatë këtij ekspozimi, duket se sonokimia besnike prodhon vrima në sipërfaqet e tubave, të cilat më pas sulmohen nga acidet, duke formuar "tuba" të hapur. Smalley dhe kolegët e tij treguan se këto tuba mund të renditeshin në fraksione me gjatësi të ndryshme me një metodë të njohur si fraksionimi i rrjedhës në terren. Ata gjithashtu mbushën skajet e këtyre nanotubave të ekspozuar me grupe të ndryshme funksionale dhe treguan se grimcat e arit mund të ngjiteshin në skajet e tubit të funudionit. Kjo punë mund të konsiderohet si fillimi i një kimie të re organike të bazuar në nanotubat e karbonit.

6. Analiza Kërkimore

Metoda e avullimit me hark të Iijima, Ebbesen dhe Ajayan mbetet teknika më e mirë për sintetizimin e nanotubave me cilësi të lartë, por ajo vuan nga një sërë disavantazhesh. Së pari, është punë intensive dhe kërkon disa aftësi për të arritur nivelin e duhur të riprodhueshmërisë. Së dyti, rendimenti është mjaft i ulët, pasi më shumë karbon i avulluar depozitohet në muret e dhomës sesa në katodë, dhe nanotubat kontaminohen me nanogrimca dhe fragmente të tjera grafiti. Së treti, është më shumë një proces gatimi sesa një proces i vazhdueshëm dhe nuk përshkallëzohet lehtë. Nëse nanotubat do të përdoren ndonjëherë komercialisht në një shkallë të gjerë, ka të ngjarë të duhet të përdoret një metodë tjetër e përgatitjes. Përparimi në këtë drejtim pengohet nga mungesa e të kuptuarit të mekanizmit të rritjes së tubit në një hark. Prandaj, kërkime të mëtejshme të dedikuara në mënyrë specifike për të sqaruar mekanizmin e rritjes së nanotubave duhet të mirëpriten.

Ekziston një dobësi tjetër serioze e metodës së avullimit të harkut dhe të gjitha teknologjive të tjera aktuale për përgatitjen e nanotubave me shumë mure: ato prodhojnë një gamë të gjerë madhësish dhe strukturash tubash. Ky mund të jetë një problem jo vetëm për disa aplikime, por edhe një disavantazh në zonat ku nevojiten struktura specifike tubulare, si për shembull nanoelektronika. A është e mundur të parashikohet rruga që do të marrin tubat me struktura të caktuara për t'u përgatitur? Ndoshta kjo do të arrihet me përdorimin kreativ të katalizatorëve.

Studiuesit kanë tërhequr vëmendjen për uniformitetin më të madh të tubave me një mur sesa homologët e tyre me shumë mure, të paktën në lidhje me diametrat e tyre. Megjithatë, metodat e përdorura drejtpërdrejt për sintetizimin e tubave me një mur janë më komplekse se ato për nanotubat me shumë mure. Teknika e avullimit me lazer e zhvilluar nga grupi Smoli prodhon materialin më cilësor me rendimentin më të lartë, por lazerët me energji të lartë të kërkuar për këtë metodë nuk janë gjithmonë të disponueshme për laboratorin mesatar. Ashtu si me tubat me shumë shtresa, rruga përpara mund të përfshijë metoda katalitike dhe kërkimet aktuale në këtë drejtim janë inkurajuese. Në fund të fundit, shpresohet se kimistët organikë do të jenë në gjendje të përfundojnë sintezën e plotë të nanotubave. Sidoqoftë, duhet të kihet parasysh se kjo mund të jetë një perspektivë e largët, pasi edhe sinteza e plotë e C60 nuk është kryer ende.

Ndërsa nanotubat me cilësi më të mirë prodhohen aktualisht duke përdorur metoda që prodhojnë gjithashtu sasi të konsiderueshme të materialit ndotës, është e rëndësishme të theksohet se ekzistojnë metoda për të hequr këtë material. Për fat të mirë, kohët e fundit është bërë përparim domethënës në këtë fushë dhe tani janë në dispozicion një sërë metodash për të hequr nanogrimcat e padëshiruara, karbonin mikroporoz dhe ndotës të tjerë nga mostrat e nanotubave me shumë mure dhe me një mur. Gjithashtu janë zhvilluar procedura për shtrirjen dhe prerjen e tubave në gjatësi të kontrolluara. Këto teknologji do të lejojnë përparim në fushat ku mungesa e mostrave të pastra dhe të përcaktuara mirë mbetet ende një problem serioz.

konkluzioni

Metoda për përgatitjen e nanotubave, e përshkruar nga Injima në 1991, dha një rendiment relativisht të dobët, duke e bërë të vështirë studimin e mëtejshëm të strukturës dhe vetive të tyre. Një përparim i rëndësishëm ndodhi në korrik 1992, kur Thomas Ebessen dhe Pulikel Ajayan, duke punuar në të njëjtin laborator japonez si Iijima, përshkruan një metodë për përgatitjen e sasive gram të nanotubave. Edhe një herë, ishte një zbulim i papritur: ndërsa përpiqeshin të përgatisnin derivatet e fullerenit, Ebessen dhe Ajayan zbuluan se rritja e presionit të heliumit në dhomën e avullimit të harkut përmirësoi në mënyrë dramatike rendimentin e nanotubave të formuar në blozën katodë. Disponueshmëria e nanotubave në sasi të mëdha ka çuar në një rritje të madhe të ritmit të kërkimit në mbarë botën.

Një fushë tjetër që tërhoqi interesin e hershëm ishte ideja e përdorimit të nanotubave dhe nanogrimcave të karbonit si "kontejnerë molekularë". Një moment historik në këtë drejtim ishte demonstrimi i Ajayan dhe Iijima se nanotubat mund të mbushen me plumb të shkrirë dhe kështu të përdoren si shabllone për "nanotelat". Më pas, u zhvilluan metoda më të kontrolluara për hapjen dhe mbushjen e nanotubave, duke lejuar që një gamë e gjerë materialesh, përfshirë ato biologjike, të vendoseshin brenda. Hapja dhe mbushja e nanotubave mund të rezultojë në veti të mahnitshme që mund të përdoren në katalizë ose sensorë biologjikë. Nanogrimcat e mbushura të karbonit mund të kenë gjithashtu aplikime të rëndësishme në fusha të ndryshme si regjistrimi magnetik dhe mjekësia bërthamore.

Ndoshta vëllimi më i madh në kërkimin e nanotubeve duhet t'i kushtohet vetive të tyre elektronike. Puna teorike që i parapriu zbulimit të Iijima është përmendur tashmë më lart. Menjëherë pas letrës së Nature të Iijima të vitit 1991, u shfaqën dy dokumente të tjera mbi vetitë elektronike të nanotubave të karbonit. Ekipi i MIT dhe Noriaki Hamada dhe kolegët nga laboratori i Iijima në Tsukuba kryen llogaritjet e strukturës së brezit duke përdorur një model me lidhje të ngushtë dhe demonstruan se vetitë elektronike varen si nga struktura e tubit ashtu edhe nga diametri i tij. Këto parashikime të jashtëzakonshme krijuan interes të madh, por përpjekja për të përcaktuar vetitë elektronike të nanotubave hasi në vështirësi të mëdha eksperimentalisht. Por vetëm në vitin 1996 u bënë matjet eksperimentale në nanotuba individualë që mund të konfirmonin parashikimet teorike. Këto rezultate sugjeruan se nanotubat mund të bëhen përbërës të pajisjeve nanoelektronike të ardhshme.

Përcaktimi i vetive mekanike të nanotubave të karbonit paraqiti vështirësi të jashtëzakonshme, por edhe një herë eksperimentuesit u përballën me sfidën. Matjet duke përdorur mikroskopin elektronik të transmisionit dhe mikroskopin e forcës atomike kanë treguar se vetitë mekanike të nanotubave të karbonit mund të jenë po aq të jashtëzakonshme sa edhe vetitë e tyre elektronike. Si rezultat, interesi për përdorimin e nanotubave në materialet e përbëra është rritur.

Në ditët e sotme, një sërë aplikimesh të tjera të mundshme për nanotubat po krijojnë interes. Për shembull, një numër shkencëtarësh po eksplorojnë problemin e përdorimit të nanotubave si këshilla për skanimin e mikroskopisë së sondës. Me formën e tyre të zgjatur, majat e mprehta dhe ngurtësinë e lartë, nanotubat ishin të përshtatshëm në mënyrë ideale për këtë qëllim, dhe eksperimentet fillestare në këtë zonë treguan rezultate jashtëzakonisht mbresëlënëse. Nanotubat janë treguar gjithashtu se kanë veti të dobishme të emetimit në terren, të cilat mund të çojnë në përdorimin e tyre në ekranet me panele të sheshta. Kërkimet mbi nanotubat kudo po rriten me një ritëm astronomik dhe aplikimet komerciale sigurisht që nuk presin shumë.

Bibliografi

1. P. Harris, Nanotubat e karbonit dhe strukturat e lidhura me to. Materialet e reja të shekullit XXI - M.: Tekhnosphere, 2003.

Postuar në Allbest.ru

Dokumente të ngjashme

Struktura e grafitit, e cila përcakton vetitë e tij elektrike. Nanotuba karboni me një mur dhe me shumë mure. Energjia e lidhjes së bromit me një shtresë grafiti. Teknika eksperimentale dhe karakteristikat e instalimit. Përshkrimi fenomenologjik i procesit të brominimit.

puna e kursit, shtuar 17.09.2011


Klasifikimi i nanostrukturave të karbonit. Modelet e formimit të fullerenit. Montimi i fullereneve nga fragmentet e grafitit. Mekanizmi i formimit të nanogrimcave të karbonit nga kristalizimi i një grupi të lëngshëm. Metodat e përgatitjes, struktura dhe vetitë e nanotubave të karbonit.

puna e kursit, shtuar 25/09/2009


Proceset e sorbimit në kufirin e fazës sorbat-sorbent. Metodat për prodhimin e materialeve poroze të karbonit. Metodat e adsorbimit të trajtimit të ujërave të zeza. Reaksionet bazë të ndërveprimit ndërmjet përbërësve të përzierjeve të materialeve organike në proceset e bashkë-termolizës.

tezë, shtuar 21.06.2015


Konceptet dhe metodat themelore të saldimit të tubacionit. Zgjedhja e çelikut për një tubacion gazi. Përgatitja e skajeve të tubit për saldim. Përzgjedhja e materialit të saldimit. Kërkesat për montimin e tubave. Testet e kualifikimit të saldatorëve. Teknologjia dhe teknika e saldimit me hark manual.

tezë, shtuar 25.01.2015


Sistemi për stabilizimin e shpejtësisë së rrotullimit të një motori DC si shembull i përdorimit të metodave të teorisë së kontrollit automatik. Sistemi për stabilizimin e rrymës së një furre shkrirjeje çeliku me hark, fuqia prerëse e procesit të bluarjes pa qendër.

puna e kursit, shtuar 18.01.2013


Teknologjia e prodhimit të saldimit. Historia e zhvillimit të prodhimit të saldimit. Specifikat e saldimit me hark argon dhe qëllimi i përdorimit të tij. Aplikimet, avantazhet dhe disavantazhet e saldimit me hark argon. Karakteristikat krahasuese të pajisjeve për këtë lloj saldimi.

abstrakt, shtuar 18.05.2012


Përbërja dhe vetitë e çelikut. Informacion në lidhje me saldimin e tij. Teknologji për prodhimin e një bashkimi të mbivendosur të salduar midis dy fletëve duke përdorur saldim me hark manual dhe saldim mbrojtës me gaz me një elektrodë harxhuese. Përzgjedhja e materialeve të saldimit dhe burimeve të fuqisë së harkut të saldimit.

puna e kursit, shtuar 28.05.2015


Përcaktimi i saldueshmërisë së materialeve të përdorura, përzgjedhja e materialeve dhe pajisjeve mbushëse. Njësi saldimi për guaskën e sipërme të poshtme dhe të sipërme. Llogaritja e mënyrës manuale të saldimit me hark. Harta e procesit teknologjik të nyjës së saldimit A Ar-C17 sipas GOST 14771-76.

puna e kursit, shtuar 20.02.2013


Informacione të përgjithshme rreth materialeve të përbëra. Vetitë e materialeve të përbëra si sibunit. Gama e materialeve poroze të karbonit. Materialet mbrojtëse dhe thithëse të radios. Qeramika e fosfatit të kalciumit është një biopolimer për rigjenerimin e indit kockor.

abstrakt, shtuar më 13.05.2011


Llojet dhe karakteristikat e tubave plastikë, arsyetimi i zgjedhjes së metodës së lidhjes së tyre, parimet e bashkimit. Rregulla të përgjithshme për saldimin e tubave të plastikës dhe polipropilenit. Teknologjia e saldimit me fole. Parimet dhe fazat e instalimit të tubave të polipropilenit.

Shpikja ka të bëjë me fushën e pastrimit të thithjes së ujërave sipërfaqësore dhe nëntokësore me një përmbajtje të lartë të titanit dhe përbërjeve të tij dhe mund të përdoret për pastrimin e ujit për të prodhuar ujë të pijshëm që është i sigurt për shëndetin. Një metodë për pastrimin e ujërave sipërfaqësore dhe nëntokësore nga titani dhe përbërësit e tij përfshin vënien në kontakt të ujit të kontaminuar me një adsorbent, ku nanotubat e karbonit përdoren si adsorbent, të cilët vendosen në një banjë tejzanor dhe veprojnë në nanotubat e karbonit dhe uji që pastrohet në një modalitet 1-15 min, me një frekuencë ultratinguj 42 kHz dhe fuqi 50 W. Rezultati teknik konsiston në pastrimin 100% të ujit nga titani dhe komponimet e tij për shkak të karakteristikave shumë të larta të adsorbimit të nanotubave të karbonit. 4 i sëmurë, 2 tavolina, 4 p.sh.

Vizatime për patentën RF 2575029

Shpikja ka të bëjë me fushën e pastrimit të absorbimit të ujërave sipërfaqësore dhe nëntokësore me një përmbajtje të lartë të titanit dhe përbërjeve të tij dhe mund të përdoret për të pastruar ujin nga titani dhe përbërësit e tij për të marrë ujë të pijshëm që është i sigurt për shëndetin.

Ekziston një metodë e njohur për pastrimin e ujit nga jonet e metaleve të rënda, sipas së cilës si adsorbent përdoret një adsorbent natyral i aktivizuar i kalcinuar, i cili është një shkëmb silici me përbërje minerale të përzier nga depozitimet në Tatarstan, që përmban % wt.: opalkristobolit 51-70 , zeoliti 9-25, përbërësi argjilë - mont morilloniti, hidromica 7-15, kalciti 10-25, etj. [Patenta RF 2150997, IPC B01G 20/16, B01G 20/26, publ. 20.06.2000]. Disavantazhi i kësaj metode të njohur është përdorimi i acidit klorhidrik për të aktivizuar materialin, i cili kërkon pajisje që janë rezistente ndaj mjediseve agresive. Për më tepër, metoda përdor një shkëmb mjaft të rrallë me përbërje minerale komplekse dhe nuk ka të dhëna për përmbajtjen e titanit dhe përbërjeve të tij.

Ekziston një metodë e njohur për prodhimin e adsorbentit të grimcuar me bazë shungite [Auth.St. BRSS Nr. 822881, IPC B01G 20/16, publ. 23.04.1981].

Disavantazhi i kësaj metode është përdorimi i shungitit mineral më pak të zakonshëm, i cili para-modifikuar me nitrat amoniumi, kalcinimi në temperatura të larta, i cili kërkon pajisje të përshtatshme dhe konsum energjie, si dhe përpunim në mjedise agresive. Nuk ka të dhëna për efektivitetin e pastrimit të ujit nga titani.

Ekziston një metodë e njohur, e marrë si analoge, për marrjen e sorbentëve organomineralë të bazuar në aluminosilikatet natyrale, domethënë zeolitin, duke modifikuar aluminosilikatin e trajtuar paraprakisht me nxehtësi me polisakaride, në veçanti chitosan [RF Patent Nr. 2184607, IPC C02F 1/56, B01J 20/32, B01J 20/26 , B01J 20/12, publ. 07/10/2002]. Metoda bën të mundur marrjen e sorbentëve të përshtatshëm për pastrim efektiv të solucioneve ujore nga jonet metalike dhe ngjyra organike të natyrave të ndryshme.

Disavantazhet e sorbenteve të marra me metodën e përshkruar janë shkalla e tyre e lartë e shpërndarjes, e cila nuk lejon pastrimin e ujit nga rryma përmes shtresës së sorbentit (filtri bllokohet shpejt), si dhe mundësia e larjes së shtresës së kitozanit nga sorbent. me kalimin e kohës për shkak të mungesës së fiksimit në bazë minerale dhe mungesës së të dhënave për pastrim efektiv nga komponimet e metaleve të rënda, si titani dhe komponimet e tij.

Një metodë për pastrimin dhe asgjësimin e ujit industrial nga strukturat e filtrave të stacioneve të trajtimit të ujit është përshkruar [Patenta për shpikjen RU Nr. 2372297, IPC C02F 1/5, C02F 103/04, publ. 11/10/2009].

Thelbi i shpikjes qëndron në përdorimin e një mpiksjeje komplekse, e cila është një përzierje e solucioneve ujore të sulfatit dhe oksikloridit të aluminit në një raport dozë prej 2:1 për oksidin e aluminit.

Kjo patentë ofron shembuj të pastrimit të ujërave nëntokësore për furnizimin me ujë të pijshëm.

Disavantazhi i metodës së përshkruar është efikasiteti i dobët i pastrimit nga papastërtitë; 46% e sedimentit notoi, dhe pjesa tjetër ishte në pezullim.

Ekziston një metodë e njohur e pastrimit të ujit me trajtim në një tubacion furnizimi me një flokulant kationik [RF Patent Nr. 2125540, IPC C02F 1/00, publ. 27.01.1999].

Shpikja ka të bëjë me metodat për pastrimin e ujit nga kullimet sipërfaqësore dhe mund të përdoret në fushën e furnizimit me ujë të pijshëm ose teknik të brendshëm.

Thelbi i shpikjes: përveç flokulantit, një koagulant mineral futet në tubacion në një raport të masës me flokulantin nga 40:1 në 1:1.

Metoda siguron një rritje të efikasitetit të grumbullimit të substancave të pezulluara, gjë që bën të mundur uljen e turbulltësisë së ujit të vendosur me 2-3 herë. Pas përdorimit të kësaj metode, është i nevojshëm sedimentimi i mëtejshëm i plotë në rezervuarët e vendosjes. Kështu, sipas metodës së përshkruar, nuk u arrit heqja 100% e metaleve, ngurtësia e ujit u ul nga 5,7 mg-eq/l në 3 mg-eq/l, turbullira u ul në 8,0 mg/l.

Disavantazhi i analogut është efikasiteti i dobët i heqjes së metaleve dhe papastërtive organike; nuk ka të dhëna për përmbajtjen e titanit.

Efikasiteti i thithjes së nanotubave të karbonit (CNT) përshkruhet si baza e një teknologjie inovative për pastrimin e përzierjeve ujë-etanol [Zaporotskova N.P. dhe të tjera Buletini i VolSU, seria 10, numër. 5, 2011, 106 f.].

Puna ka kryer studime mekanike kuantike të proceseve të adsorbimit të molekulave të alkoolit të rëndë në sipërfaqen e jashtme të nanotubave të karbonit me një mur.

Disavantazhi i aktivitetit të absorbimit të përshkruar të CNT-ve është se kryhen vetëm llogaritjet teorike mekanike kuantike, ndërsa për alkoolet janë kryer studime eksperimentale. Nuk ka shembuj për pastrimin e metaleve.

Efekti pozitiv i nanotubave të karbonit në procesin e pastrimit të përzierjeve ujë-etanol është vërtetuar.

Aktualisht, shpresat e veçanta në zhvillimin e shumë fushave të shkencës dhe teknologjisë janë të lidhura me nanotubat e karbonit CNTs [Harris P. Nanotubes karbon dhe strukturat e lidhura me to. Materialet e reja të shekullit XXI. - M.: Tekhnosferë, 2003. - 336 f.].

Një tipar i jashtëzakonshëm i CNT-ve lidhet me karakteristikat e tyre unike të absorbimit [Eletsky A.V. Vetitë thithëse të nanostrukturave të karbonit. - Përparimet në shkencat fizike. - 2004. -T. 174, nr 11. - F. 1191-1231].

Një filtër i bazuar në nanotuba karboni për pastrimin e lëngjeve që përmbajnë alkool është përshkruar [Polikarpova N.P. dhe të tjera Buletini i VolSU, seria 10, numër. 6, 2012, 75 f.]. Eksperimentet u kryen për pastrimin e lëngjeve që përmbajnë alkool duke përdorur metodat e filtrimit dhe transmetimit, dhe u përcaktua fraksioni masiv i CNT-ve që çon në rezultatin më të mirë.

Studimet eksperimentale të kryera vërtetuan se trajtimi i një përzierjeje ujë-etanol me CNT ndihmon në uljen e përmbajtjes së vajrave të fuselit dhe substancave të tjera. Disavantazhi i këtij analogu është mungesa e të dhënave për pastrimin e ujit nga metalet.

Puna studioi thithjen/desorbimin e Zn(II) në cikle të njëpasnjëshme nga karboni i aktivizuar dhe CNT. Adsorbimi i Zn(II) nga karboni i aktivizuar u ul ndjeshëm pas disa cikleve, gjë që i atribuohet largimit të ulët të joneve metalike nga sipërfaqja e brendshme e poreve të karbonit të aktivizuar.

Natyra hidrofobike e CNT-ve shkakton ndërveprim të dobët të tyre me molekulat e ujit, duke krijuar kushte për rrjedhjen e lirë të tij.

Noy A., Park N.G., Fornasiero F., Holt J.K., Grigoropoulos S.P. dhe Bakajin O. Nanofluidics në nanotubat e karbonit // Nano Sot. 2007, vëll. 2, nr. 6, fq. 22-29.

Kapaciteti adsorbues i CNT-ve varet nga prania e grupeve funksionale në sipërfaqen e adsorbentit dhe nga vetitë e adsorbatit.

Për shembull, prania e grupeve karboksile, laktonike dhe fenolike rrit kapacitetin e absorbimit për substancat polare.

CNT-të, të cilat nuk kanë grupe funksionale në sipërfaqen e tyre, karakterizohen nga një kapacitet i lartë absorbues për ndotësit jopolarë.

Një mënyrë për të krijuar një membranë është rritja e CNT-ve në një sipërfaqe silikoni duke përdorur avull që përmban karbon duke përdorur nikelin si katalizator.

CNT-të janë struktura molekulare që ngjajnë me kashtë të bëra nga fletë karboni një fraksion prej një nanometër të trashë, 10 -9 m të trasha, në thelb një shtresë atomike e grafitit të zakonshëm të mbështjellë në një tub - një nga materialet më premtuese në fushën e nanoteknologjisë. CNT-të mund të kenë gjithashtu një strukturë të zgjeruar [WCG website http://www.worldcommunitygrid.org/].

Teknologjia e membranës, e cila përdoret gjerësisht për të marrë ujë të pijshëm për banorët e planetit tonë.

Ka dy disavantazhe të rëndësishme - konsumi i energjisë dhe ndotja e membranës, të cilat mund të hiqen vetëm me metoda kimike.

Membranat produktive dhe kundër ndotjes mund të krijohen bazuar në nanotuba karboni ose grafen [M. Majumder et al. Natyra 438, 44 (2005)].

Më e afërta me shpikjen e pretenduar për sa i përket thelbit teknik dhe rezultatit të arritur është një metodë për prodhimin e sorbentëve për pastrimin e ujit [Patenta RF 2277013 C1, IPC B01J 20/16, B01J 20/26, B01J 20/32, publ. 01.12.2004]. Kjo patentë është marrë si një prototip. Kjo metodë lidhet me fushën e pastrimit të ujit me thithje, veçanërisht me prodhimin e sorbenteve dhe metodave të pastrimit, dhe mund të përdoret për të pastruar ujin e pijshëm ose industrial me përmbajtje të lartë të joneve të metaleve të rënda dhe substancave organike polare. Metoda përfshin trajtimin e aluminosilikatit natyral me një tretësirë ​​të kitozanit në acid acetik të holluar në një raport të tretësirës së aluminosilikatit me kitozanin të barabartë me 1:1, në pH 8-9.

Në tabelë 1 tregon një përshkrim krahasues të sorbentëve të marrë sipas shpikjes, të marrë si një prototip [Patenta 2277013]. Janë dhënë shembuj për thithjen në lidhje me ngjyrat dhe për thithjen e joneve të bakrit, hekurit dhe metaleve të tjera nga tretësirat.

Disavantazhi i prototipit është kapaciteti i ulët i absorbimit për metalet e rënda (SOE) mg/l për bakrin Cu +2 (nga 3.4 në 5.85); nuk ka të dhëna për përthithjen e titanit dhe përbërjeve të tij. COE, mg/l për Fe +3 varion nga 3.4 në 6.9.

Objektivi i shpikjes është të zhvillojë një metodë për pastrimin e ujërave sipërfaqësore dhe nëntokësore nga titani dhe komponimet e tij duke përdorur nanotuba karboni dhe ekspozimin ndaj ultrazërit, i cili do të prodhojë ujë të pijshëm me cilësi të lartë dhe të pastër dhe do të rrisë efikasitetin e pastrimit të ujërave sipërfaqësore dhe nëntokësore për shkak të karakteristikat e larta të adsorbimit të CNT-ve.

Problemi zgjidhet me metodën e propozuar të pastrimit të ujërave sipërfaqësore dhe nëntokësore nga titani dhe përbërjet e tij duke përdorur CNT, duke përdorur ultratinguj me fuqi 50 W me një frekuencë ultratinguj prej 42 kHz për 1-15 minuta.

Metoda kryhet si më poshtë. Adsorbenti është një nanotub karboni me një mur që ka aftësinë të ndërveprojë në mënyrë aktive me atomet e titanit dhe kationet e tij (Ti, Ti +2, Ti +4).

Një gram CNT me pastërti 98% shtohet në 99 g ujë për të hequr Ti, Ti +2, Ti +4, dhe më pas e gjithë përmbajtja vendoset në një banjë tejzanor UKH-3560 dhe ekspozohet ndaj ultrazërit për 1-15 minuta. në një fuqi prej 50 Watts dhe në një frekuencë ultratinguj 42 kHz.

Pas filtrimit, ekzaminohen mostrat e ujit të marra për analizë. Analiza e emetimeve atomike përdoret për të përcaktuar përmbajtjen e titanit dhe përbërjeve të tij në mostrat e ujit përpara trajtimit të CNT-ve dhe pas trajtimit të mostrave të ujit me CNT në një banjë tejzanor.

"Metoda e propozuar për pastrimin e ujërave sipërfaqësore dhe nëntokësore nga titani dhe komponimet e tij duke përdorur nanotuba karboni dhe ultratinguj" konfirmohet nga shembujt që do të përshkruhen më poshtë.

Zbatimi i metodës në përputhje me kushtet e specifikuara bën të mundur marrjen e ujit absolutisht të pastër me përmbajtje zero të titanit dhe përbërësve të tij (Ti, Ti +2, Ti +4).

Rezultati teknik arrihet nga fakti se CNT vepron si një kapilar, duke thithur atomet Ti dhe kationet e titanit Ti +2 dhe Ti +4, dimensionet e të cilave janë të krahasueshme me diametrin e brendshëm të CNT. Diametri i CNT-ve varion nga 4,8 Å në 19,6 Å në varësi të kushteve për marrjen e CNT-ve.

Është vërtetuar eksperimentalisht se zgavrat e CNT-ve janë të mbushura në mënyrë aktive me elementë të ndryshëm kimikë.

Një tipar i rëndësishëm që i dallon CNT-të nga materialet e tjera të njohura është prania e një zgavër të brendshme në nanotub. Atomi Ti dhe kationet e tij Ti +2, Ti +4 depërtojnë në CNT nën ndikimin e presionit të jashtëm ose si rezultat i efektit kapilar dhe mbahen atje për shkak të forcave të thithjes [Dyachkov P.N. Nanotubat e karbonit: struktura, vetitë, aplikimi. - M.: Binom. Laboratori i Dijes, 2006. - 293 f.].

Kjo mundëson adsorbimin selektiv nga nanotubat. Për më tepër, sipërfaqja shumë e lakuar e CNT-ve lejon që atome dhe molekula mjaft komplekse të absorbohen në sipërfaqen e saj, në veçanti Ti, Ti +2, Ti +4.

Për më tepër, efikasiteti i nanotubave është dhjetëra herë më i madh se aktiviteti i absorbuesve të grafitit, të cilët janë sot agjentët më të zakonshëm të pastrimit. CNT-të mund të thithin papastërtitë si në sipërfaqen e jashtme ashtu edhe në atë të brendshme, gjë që lejon adsorbimin selektiv.

Prandaj, CNT-të mund të përdoren për pastrimin përfundimtar të lëngjeve të ndryshme nga papastërtitë me përqendrim ultra të ulët.

CNT-të kanë një sipërfaqe tërheqëse të lartë specifike të materialit CNT, duke arritur vlerat 600 m 2 / g ose më shumë.

Një sipërfaqe kaq e lartë specifike, disa herë më e lartë se sipërfaqja specifike e sorbentëve më të mirë modernë, hap mundësinë e përdorimit të tyre për pastrimin e ujërave sipërfaqësore dhe nëntokësore nga metalet e rënda, në veçanti Ti, Ti +2, Ti +4. .

Sinteza e CNT-ve. Duke përdorur objektin e sintezës së nanotubave të karbonit CVDomna, u përftua nanomateriali i karbonit CNT, i cili u përdor për të pastruar ujërat sipërfaqësore dhe nëntokësore nga titani dhe komponimet e tij.

Janë kryer studime eksperimentale për të pastruar ujin nga titani dhe komponimet e tij.

Për të përcaktuar sasinë optimale të CNT-ve, është e nevojshme të sillni përmbajtjen e titanit dhe përbërjeve të tij në sasi jashtëzakonisht të ulëta. Ky përqendrim i CNT-ve u gjet dhe në eksperimentet e mëvonshme u përdor përqendrimi optimal në sasinë 0,01 g për 1 litër ujë të analizuar.

Analiza e emetimeve atomike tregoi praninë e Ti atomike dhe kationet e tij (Ti +2, Ti +4) në mostrat e ujit në studim, nga ku mund të konkludojmë se është titani dhe kationet Ti +2, Ti +4 që ndërveprojnë me nanotuba karboni. Rrezja e një atomi Ti është 147 pm, d.m.th. Kationet e titanit ose mund të ndërhyjnë në zgavrën e një nanotubi karboni dhe të absorbohen brenda (Fig. 1) ose të absorbohen në sipërfaqen e tij të jashtme, duke formuar gjithashtu një strukturë lidhëse me atomet e karbonit të gjashtëkëndëshave (Fig. 2), duke formuar struktura të lidhura molekulare .

Futja e Ti dhe kationeve të tij në zgavrën e CNT është e mundur me afrimin hap pas hapi të Ti në nanotubin përgjatë boshtit të tij kryesor gjatësor dhe depërtimit të atomeve të titanit dhe kationeve të tij në zgavrën e nanotubit me adsorbimin e tyre të mëtejshëm në pjesën e brendshme. sipërfaqja e CNT. Njihet gjithashtu një variant tjetër i adsorbimit të Ti, sipas të cilit një atom titani mund të krijojë lidhje të qëndrueshme Ti-C me atome karboni në pjesën e jashtme të një nanotubi karboni në dy raste të thjeshta, kur Ti është në 1/4 dhe 1/2 e të gjithëve. gjashtëkëndëshat (Fig. 3) .

Kjo do të thotë, adsorbimi i titanit dhe kationeve të tij në sipërfaqen e CNT-ve nuk është vetëm një fakt i provuar teorikisht, por edhe i provuar eksperimentalisht në kërkime.

Sorbenti shpikës është një konglomerat nanotubash karboni me një mur të vetëm që kanë aftësinë të ndërveprojnë në mënyrë aktive me titanin dhe kationet e tij, duke formuar lidhje të qëndrueshme dhe mundësinë e adsorbimit të atomeve të titanit dhe përbërjeve të tij në sipërfaqet e brendshme dhe të jashtme të CNT-ve me formimi i strukturave lidhëse me dy lidhje Ti-C, nëse Ti +2 ose katër për Ti +4. Kur pastrohet uji i kontaminuar me titan dhe komponimet e tij, përdoren CNT; titani absorbohet në sipërfaqet e CNT për shkak të forcave van der Waals, domethënë, titani dhe përbërësit e tij nga atomi i lirë dhe kationet Ti +2 dhe Ti +4 lidhen. në një lidhje molekulare (Fig. 4).

Mundësia e zbatimit të shpikjes ilustrohet nga shembujt e mëposhtëm.

Shembulli 1. Uji nëntokësor nga pusi 1) me thellësi 40 m është marrë për testim për përmbajtjen e përbërjes elementare cilësore, si dhe analiza sasiore për përmbajtjen e titanit dhe përbërjeve të tij para pastrimit me CNT dhe pas adsorbimit të CNT dhe trajtimit me ultratinguj. . Koha e ekspozimit me ultratinguj 15 min. Përmbajtja e Ti dhe komponimeve të tij pas pastrimit është 0% (Tabela 2).

Shembulli 2. Ujërat nëntokësore nga pusi 2) me një thellësi prej 41 m, në ndryshim nga pusi 1), ky ujë ndodhej në një distancë prej 200 m nga pusi 1) i rezervuarit Bereslavsky (Volgograd). Koha e ekspozimit me ultratinguj 15 min. Përmbajtja e Ti dhe komponimeve të tij pas pastrimit është 0% sipas shpikjes (Tabela 2).

Shembulli 3. Uji i marrë nga një rubinet uji (rrethi Sovetsky, Volgograd) u pastrua duke përdorur CNT dhe ekspozim ndaj ultrazërit për 15 minuta, një fuqi prej 50 W dhe një frekuencë operimi me ultratinguj prej 42 kHz (Tabela 2).

Shembulli 4. Gjithçka është e njëjtë si në shembullin 1, por koha e ekspozimit me ultratinguj është 1 minutë.

Shembulli 5. Uji nëntokësor nga pusi 1) 40 m i thellë është marrë për analizë për përmbajtjen e titanit dhe përbërjeve të tij, dhe më pas është pastruar sipas prototipit [Patenta RU 2277013].

Koha e ekspozimit me ultratinguj 15 min (eksperimenti 1, 2, 3, 5). Koha e ekspozimit me ultratinguj 1 min (eksperimenti 4).

Përparësitë e metodës së pretenduar të bazuar në CNT përfshijnë një shkallë shumë të lartë të përthithjes së titanit dhe komponimeve të tij. Sipas rezultateve të eksperimentit, në kushte optimale sigurohet pastrimi 100% i ujërave të provës nga titani dhe përbërësit e tij.

KERKESE

Një metodë për pastrimin e ujërave sipërfaqësore dhe nëntokësore nga titani dhe përbërësit e tij duke përdorur nanotuba karboni (CNT) dhe ultratinguj, duke përfshirë kontaktin e ujit të kontaminuar me adsorbentët për kapjen e metaleve të rënda, e karakterizuar në atë që nanotubat e karbonit përdoren si adsorbues, të cilët vendosen në banjë me ultratinguj, me ndikim në CNT dhe ujë të pastruar në modalitetin 1-15 min, me një frekuencë ultratinguj prej 42 kHz dhe një fuqi prej 50 W.

Pronarët e patentës RU 2430879:

Shpikja lidhet me nanoteknologjinë dhe mund të përdoret si përbërës i materialeve të përbëra. Nanotubat e karbonit me shumë mure prodhohen nga piroliza e hidrokarbureve duke përdorur katalizatorë që përmbajnë Fe, Co, Ni, Mo, Mn dhe kombinimet e tyre si përbërës aktivë, si dhe Al 2 O 3 , MgO, CaCO 3 si bartës. Nanotubat që rezultojnë pastrohen duke zier në një tretësirë ​​të acidit klorhidrik dhe më pas lahen me ujë. Pas trajtimit me acid, ngrohja kryhet në një rrjedhë argon me pastërti të lartë në një furre me një gradient të temperaturës. Në zonën e punës së furrës temperatura është 2200-2800°C. Në skajet e furrës temperatura është 900-1000°C. Shpikja bën të mundur marrjen e nanotubave me shumë mure me një përmbajtje papastërtie metalike më pak se 1 ppm. 3 paga f-ly, 9 ill., 3 tabela.

Shpikja ka të bëjë me fushën e prodhimit të nanotubave karboni me shumë mure me pastërti të lartë (MWCNT) me një përmbajtje papastërtie metalike më pak se 1 ppm, të cilat mund të përdoren si përbërës të materialeve të përbëra për qëllime të ndryshme.

Për prodhimin masiv të MWCNT-ve, përdoren metoda të bazuara në pirolizën e hidrokarbureve ose monoksidit të karbonit në prani të katalizatorëve metalikë të bazuar në metale të nëngrupit të hekurit [T.W.Ebbesen // Nanotubat e karbonit: Përgatitja dhe vetitë, CRC Press, 1997, f. 139-161; V.Shanov, Yeo-Heung Yun, M.J.Schuiz // Sinteza dhe karakterizimi i materialeve të nanotubeve të karbonit (rishikim) // Journal of the University of Chemical Technology and Metalurgy, 2006, Nr. 4, v.41, f.377-390 ; J. W. Seo; A. Magrez; M.Milas; K.Lee, V Lukovac, L.Forro // Nanotubat e karbonit të rritur në mënyrë katalitike: nga sinteza në toksicitet // Journal of Physics D (Applied Physics), 2007, v.40, n.6]. Për shkak të kësaj, MWCNT-të e marra me ndihmën e tyre përmbajnë papastërti të metaleve të katalizatorëve të përdorur. Në të njëjtën kohë, një numër aplikimesh, për shembull, për krijimin e pajisjeve elektrokimike dhe prodhimin e materialeve të përbëra për qëllime të ndryshme, kërkojnë MWCNT me pastërti të lartë që nuk përmbajnë papastërti metalike. MWCNT-të me pastërti të lartë janë kryesisht të nevojshme për prodhimin e materialeve të përbëra që i nënshtrohen përpunimit në temperaturë të lartë. Kjo për faktin se përfshirjet inorganike mund të jenë katalizatorë për grafitizimin lokal dhe, si rezultat, të fillojnë formimin e defekteve të reja në strukturën e karbonit [A.S. Fialkov // Karboni, komponimet ndërshtresore dhe kompozitat e bazuara në të, Aspect Press, Moskë , 1997, fq 588 -602]. Mekanizmi i veprimit katalitik të grimcave metalike bazohet në bashkëveprimin e atomeve metalike me një matricë karboni me formimin e grimcave metal-karbon me lëshimin e mëvonshëm të formacioneve të reja të ngjashme me grafitin që mund të shkatërrojnë strukturën e përbërjes. Prandaj, edhe papastërtitë e vogla metalike mund të çojnë në prishje të homogjenitetit dhe morfologjisë së materialit të përbërë.

Metodat më të zakonshme për pastrimin e nanotubave të karbonit katalitik nga papastërtitë bazohen në trajtimin e tyre me një përzierje acidesh me përqendrime të ndryshme kur nxehen, si dhe në kombinim me ekspozimin ndaj rrezatimit të mikrovalës. Megjithatë, disavantazhi kryesor i këtyre metodave është shkatërrimi i mureve të nanotubave të karbonit si rezultat i ekspozimit ndaj acideve të forta, si dhe shfaqja e një numri të madh grupesh funksionale të padëshirueshme që përmbajnë oksigjen në sipërfaqen e tyre, gjë që e bën të vështirë. për të zgjedhur kushtet për trajtimin me acid. Në këtë rast, pastërtia e MWCNT-ve që rezultojnë është 96-98 wt.%, pasi grimcat metalike të katalizatorit janë të kapsuluara në zgavrën e brendshme të nanotubit të karbonit dhe janë të paarritshme për reagentët.

Rritja e pastërtisë së MWCNT-ve mund të arrihet duke i ngrohur ato në temperatura mbi 1500°C duke ruajtur strukturën dhe morfologjinë e nanotubave të karbonit. Këto metoda lejojnë jo vetëm pastrimin e MWCNT nga papastërtitë metalike, por gjithashtu kontribuojnë në renditjen e strukturës së nanotubave të karbonit për shkak të pjekjes së defekteve të vogla, duke rritur modulin e Young, duke zvogëluar distancën midis shtresave të grafitit dhe gjithashtu duke hequr oksigjenin sipërfaqësor. e cila më pas siguron një shpërndarje më uniforme të nanotubave të karbonit në matricën polimer, të nevojshme për të marrë materiale kompozite me cilësi më të lartë. Kalcinimi në një temperaturë prej rreth 3000°C çon në formimin e defekteve shtesë në strukturën e nanotubave të karbonit dhe zhvillimin e defekteve ekzistuese. Duhet të theksohet se pastërtia e nanotubave të karbonit të marra duke përdorur metodat e përshkruara nuk është më shumë se 99.9%.

Shpikja zgjidh problemin e zhvillimit të një metode për pastrimin e nanotubave të karbonit me shumë mure të marra nga piroliza katalitike e hidrokarbureve, me heqjen pothuajse të plotë të papastërtive të katalizatorit (deri në 1 ppm), si dhe papastërtitë e përbërjeve të tjera që mund të shfaqen gjatë trajtimit acid të MWCNT , duke ruajtur morfologjinë e nanotubave të karbonit.

Problemi zgjidhet me një metodë për pastrimin e nanotubave të karbonit me shumë mure të përftuara nga piroliza e hidrokarbureve duke përdorur katalizatorë që përmbajnë Fe, Co, Ni, Mo, Mn dhe kombinimet e tyre si përbërës aktivë, si dhe Al 2 O 3 , MgO, CaCO 3 si bartës , i cili kryhet duke zier ne tretje acidi klorhidrik me larje te metejshme me uje, pas trajtimit me acid, ngrohja kryhet ne nje rryme argoni me pasterti te larte ne furre me gradient temperature, ne zonen e punes temperatura eshte 2200 -2800 ° C, në skajet e furrës temperatura është 900-1000 ° C, si rezultat i së cilës përftohen nanotuba me shumë mure me përmbajtje papastërtie metalike më pak se 1 ppm.

Ngrohja kryhet në ampula të bëra nga grafiti me pastërti të lartë.

Koha e ngrohjes në një rrjedhë argon është, për shembull, 15-60 minuta.

Argoni përdoret me një pastërti prej 99,999%.

Një ndryshim domethënës i metodës është përdorimi i një furre me një gradient të temperaturës për pastrimin e MWCNT, ku papastërtitë metalike avullojnë në zonën e nxehtë, dhe kondensimi i grimcave metalike në formën e topave të vegjël ndodh në zonën e ftohtë. Për të kryer transferimin e avujve metalikë, përdoret një rrjedhë e argonit me pastërti të lartë (me një pastërti prej 99,999%) me një shpejtësi të rrjedhës së gazit prej rreth 20 l/h. Furra është e pajisur me vula speciale që parandalojnë ekspozimin ndaj gazeve atmosferike.

Desorbimi paraprak i oksigjenit të ujit dhe ajrit nga sipërfaqja e MWCNT dhe ampulës së grafitit, në të cilën kampioni vendoset në një furrë grafiti, si dhe fryrja e tyre me argon me pastërti të lartë, bën të mundur shmangien e ndikimit në lëndën e pastruar. MWCNT i reaksioneve të transportit të gazit që përfshijnë hidrogjen dhe gazra që përmbajnë oksigjen, duke çuar në rishpërndarjen e karbonit midis formave të tij shumë të shpërndara dhe formave të kristalizuara mirë të ngjashme me grafitin me energji të ulët sipërfaqësore (V.L.Kuznetsov, Yu.V.Butenko, V.I.Zaikovskii dhe A.L. Chuvilin // Proceset e rishpërndarjes së karbonit në nanokarbonet // Carbon 42 (2004) pp.1057-1061; A.S. Fialkov // Proceset dhe pajisjet për prodhimin e materialeve pluhur karbon-grafit, Aspect Press, Moskë, 2008, fq. 510-514 ).

Nanotubat e karbonit me shumë mure katalitike prodhohen nga piroliza e hidrokarbureve duke përdorur katalizatorë që përmbajnë Fe, Co, Ni, Mo dhe kombinimet e tyre si përbërës aktivë, si dhe Al 2 O 3, MgO, CaCO 3 si bartës (T.W. Ebbesen // Nanotubat e karbonit: Përgatitja dhe vetitë, CRC Press, 1997, f.139-161; V.Shanov, Yeo-Heung Yun, M.J.Schuiz // Sinteza dhe karakterizimi i materialeve të nanotubeve të karbonit (rishikim) // Journal of the University of Chemical Technology and Metalurgy, 2006 , Nr. 4, v.41, f.377-390; J.W.Seo; A.Magrez; M.Milas; K.Lee, V Lukovac, L.Forro // Nanotubat e karbonit të rritur në mënyrë katalitike: nga sinteza në toksicitet / / Journal i Fizikës D (Fizika e aplikuar), 2007, v.40, n.6).

Në metodën e propozuar, për të demonstruar mundësinë e heqjes së papastërtive të metaleve më tipike, bëhet pastrimi për dy lloje MWCNT të sintetizuara në katalizatorët Fe-Co/Al 2 O 3 dhe Fe-Co/CaCO 3 që përmbajnë Fe dhe Co. një raport 2:1. Një nga karakteristikat më të rëndësishme të përdorimit të këtyre katalizatorëve është mungesa e fazave të tjera të karbonit përveç MWCNT-ve në mostrat e sintetizuara. Në prani të katalizatorit Fe-Co/Al 2 O 3 fitohen MWCNT me diametër mesatar të jashtëm 7-10 nm dhe në prani të katalizatorit Fe-Co/CaCO 3 fitohen MWCNT me diametër të jashtëm mesatar të madh. prej 22-25 nm.

Mostrat e marra ekzaminohen me mikroskop elektronik transmetues, metodën e fluoreshencës spektrale të rrezeve X në një analizues ARL - Advant "x me një anodë Rh të një tubi me rreze X (saktësia e matjes ± 10%), dhe sipërfaqja specifike e mostrave është matur me metodën BET.

Sipas të dhënave TEM, mostrat fillestare përbëhen nga MWCNT shumë defekte (Fig. 1, 6). Fragmentet e tubave në zonën e kthesave kanë konture të lëmuara, të rrumbullakosura; Në sipërfaqen e tubave vërehen një numër i madh formacionesh të ngjashme me fullerene. Shtresat e nanotubave të ngjashme me grafenin karakterizohen nga prania e një numri të madh defektesh (këputje, lidhje të ngjashme me Y, etj.). Në disa seksione të tubave, ka një mospërputhje në numrin e shtresave në anët e ndryshme të MWCNTs. Kjo e fundit tregon praninë e shtresave të hapura të zgjatura të grafenit, kryesisht të lokalizuara brenda tubave. Imazhe mikroskopike elektronike të MWCNT-ve të ngrohura në një rrjedhë argon me pastërti të lartë në temperatura 2200°C - Fig. 2, 7; 2600°C - Fig.3, 8; 2800°C - Figura 4, 5, 9. Në mostrat pas kalcinimit vërehen MWCNT më të lëmuara me më pak defekte të brendshme dhe afër sipërfaqes. Tubat përbëhen nga fragmente të drejta në rendin e qindra nanometrave me kthesa të përcaktuara qartë. Me rritjen e temperaturës së kalcinimit, dimensionet e seksioneve të drejta rriten. Numri i shtresave të grafenit në muret e tubave në anët e ndryshme bëhet i njëjtë, gjë që e bën strukturën MWCNT më të rregulluar. Sipërfaqja e brendshme e tubave gjithashtu pëson ndryshime të rëndësishme - grimcat metalike hiqen, ndarjet e brendshme bëhen më të renditura. Për më tepër, skajet e tubave mbyllen - shtresat e grafenit që formojnë tubat janë të mbyllura.

Kalcinimi i mostrave në 2800°C çon në formimin e një numri të vogël formacionesh të zmadhuara cilindrike të karbonit, të përbërë nga shtresa grafeni të ngulitura në njëra-tjetrën, të cilat mund të shoqërohen me transferimin e karbonit në distanca të shkurtra për shkak të rritjes së presionit të avullit të grafitit. .

Studimet e mostrave të MWCNT fillestare dhe të ngrohura duke përdorur metodën e fluoreshencës me rreze X treguan se pas ngrohjes së mostrave të nanotubave karboni me shumë mure në temperatura në intervalin 2200-2800°C, sasia e papastërtive zvogëlohet, gjë që konfirmohet edhe nga mikroskopi elektronik transmetues. . Ngrohja e mostrave MWCNT në 2800°C siguron heqjen pothuajse të plotë të papastërtive nga mostrat. Në këtë rast hiqen jo vetëm papastërtitë e metaleve të katalizatorit, por edhe papastërtitë e elementëve të tjerë që hyjnë në MWCNT në fazat e trajtimit me acid dhe larjes. Në mostrat fillestare, raporti i hekurit me kobaltin është afërsisht 2:1, që korrespondon me përbërjen fillestare të katalizatorëve. Përmbajtja e aluminit në tubat fillestarë të marrë duke përdorur mostrat e katalizatorit Fe-Co/Al 2 O 3 është e vogël, gjë që shoqërohet me heqjen e tij gjatë trajtimit të nanotubave me acid gjatë larjes së katalizatorit. Rezultatet e studimit të përmbajtjes së papastërtive duke përdorur metodën e fluoreshencës spektrale me rreze X janë dhënë në tabelat 1 dhe 2.

Matja e sipërfaqes specifike me metodën BET tregoi se me rritjen e temperaturës, sipërfaqja specifike e mostrave të MWCNT ndryshon në mënyrë të parëndësishme duke ruajtur strukturën dhe morfologjinë e nanotubave të karbonit. Sipas të dhënave të TEM, ulja e sipërfaqes specifike mund të shoqërohet si me mbylljen e skajeve të MWCNT-ve ashtu edhe me uljen e numrit të defekteve të sipërfaqes. Me rritjen e temperaturës, është e mundur të formohet një pjesë e vogël e formacioneve cilindrike të zmadhuara me një numër të shtuar shtresash dhe një raport gjatësi-gjerësi afërsisht 2-3, gjë që gjithashtu kontribuon në një ulje të sipërfaqes specifike. Rezultatet e studimit të sipërfaqes specifike janë dhënë në tabelën 3.

Thelbi i shpikjes ilustrohet nga shembujt e mëposhtëm, tabelat (tabelat 1-3) dhe ilustrimet (Figurat 1-9).

Një kampion MWCNT (10 g), i marrë nga piroliza e etilenit në prani të një katalizatori Fe-Co/Al 2 O 3 në një reaktor kuarci me rrjedhje në një temperaturë prej 650-750 ° C, vendoset në një ampulë grafiti me një lartësi prej 200 mm dhe një diametër të jashtëm 45 mm dhe i mbyllur me një kapak (10 mm në diametër) me një vrimë (1-2 mm në diametër). Ampula e grafitit vendoset në një ampulë kuarci dhe ajri pompohet duke përdorur një pompë vakum në një presion prej të paktën 10 -3 Torr, e ndjekur nga pastrimi me argon me pastërti të lartë (pastërti 99,999%), fillimisht në temperaturën e dhomës dhe më pas në temperaturë 200-230°C për të hequr grupet sipërfaqësore që përmbajnë oksigjen dhe gjurmët e ujit. Mostra nxehet në një temperaturë prej 2200°C për 1 orë në një rrjedhë argoni me pastërti të lartë (~20 l/h) në një furrë me gradient të temperaturës, ku në zonën e punës temperatura mbahet në 2200°C. , dhe në skajet e furrës temperatura është 900-1000°C ME. Atomet e metaleve që avullohen nga MWCNT gjatë ngrohjes largohen nga pjesa e nxehtë e furrës në pjesën e ftohtë nga një rrjedhë argoni, ku metali depozitohet në formën e topave të vegjël.

Pas kalcinimit, materiali që rezulton ekzaminohet me mikroskop elektronik transmetues dhe metodën e fluoreshencës me rreze X. Figura 1 tregon imazhet mikroskopike elektronike të MWCNT-ve origjinale dhe Figura 2 tregon MWNT-të e ngrohura në 2200°C. Duke përdorur metodën BET, sipërfaqja specifike e mostrave të MWCNT përcaktohet para dhe pas kalcinimit. Të dhënat e marra tregojnë një rënie të lehtë në sipërfaqen specifike të mostrave pas kalcinimit në krahasim me sipërfaqen specifike të mostrës origjinale MWCNT.

Ngjashëm me shembullin 1, karakterizuar në atë që një kampion i MWCNT-ve origjinale nxehet në 2600°C për 1 orë në një rrjedhë argon me pastërti të lartë (~20 l/h) në një furre me një gradient të temperaturës, ku temperatura në zona e punës mbahet në 2600°C, në Temperatura në skajet e furrës është 900-1000°C. Imazhet e MWCNT-ve të ngrohura të marra nga mikroskopi elektronik transmetues janë paraqitur në Figurën 3. Imazhet TEM me rezolucion të lartë tregojnë skajet e mbyllura të nanotubave.

Ngjashëm me shembullin 1, karakterizuar në atë që një kampion i MWCNT-ve origjinale nxehet në 2800°C për 15 minuta në një rrjedhë argon me pastërti të lartë (~20 l/h) në një furre me një gradient të temperaturës, ku temperatura në zona e punës mbahet në 2800°C, në Temperatura në skajet e furrës është 900-1000°C. Imazhet e MWCNT-ve të ngrohura të marra nga mikroskopi elektronik transmetues janë paraqitur në Figurën 4.

Kalcinimi në 2800°C çon në formimin e një numri të vogël formacionesh cilindrike të zmadhuara me një numër të shtuar shtresash dhe një raport gjatësi-gjerësi afërsisht 2-3. Këto zmadhime janë të dukshme në imazhet TEM (Figura 5).

Ngjashëm me shembullin 1, karakterizuar në atë që MWCNT-të origjinale janë marrë në prani të një katalizatori Fe-Co/CaCO 3. Imazhet e MWCNT-ve dhe MWCNT-ve origjinale të ngrohura në 2200°C, të marra nga mikroskopi elektronik i transmisionit, tregohen përkatësisht në Figurat 6, 7. Imazhet TEM të MWCNT-ve origjinale tregojnë grimca metalike të kapsuluara në kanalet e tubit (të shënuara me shigjeta).

Ngjashëm me shembullin 4, karakterizuar në atë që një mostër e MWCNT origjinale u ngroh në 2600°C. Imazhet e mikroskopisë elektronike të transmetimit të MWCNT-ve të ngrohura janë paraqitur në Figurën 8. Imazhet TEM me rezolucion të lartë tregojnë skajet e mbyllura të nanotubave.

Ngjashëm me shembullin 4, karakterizuar në atë që një mostër e MWCNT origjinale u ngroh në 2800°C për 15 minuta. Imazhet e mikroskopisë elektronike të transmetimit të MWCNT-ve të ngrohura janë paraqitur në Figurën 9. Imazhet tregojnë formimin e një pjese të vogël të zmadhimeve.

Tabela 1
Të dhënat e fluoreshencës spektrale të rrezeve X mbi përmbajtjen e papastërtive në MWCNT pas ngrohjes, të marra duke përdorur katalizatorin Fe-Co/Al 2 O 3
Elementi
MWCNT-të fillestare	MWCNT_2200°C shembulli 1	MWCNT_2600°C shembulli 2	MWCNT_2800°C shembulli 3
Fe	0.136	0.008	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve
Co	0.0627	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve
Al	0.0050	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve
Ca	gjurmët e këmbëve	0.0028	0.0014	gjurmët e këmbëve
Ni	0.0004	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve
Si	0.0083	0.0076	gjurmët e këmbëve	Nr
Ti	Nr	0.0033	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve
S	gjurmët e këmbëve	Nr	Nr	Nr
Cl	0.111	Nr	Nr	Nr
Sn	0.001	0.001	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve
Ba	Nr	Nr	Nr	Nr
Cu	0.001	0.001	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve
gjurmë - përmbajtja e elementit nën 1 ppm

tabela 2
Të dhënat e fluoreshencës spektrale të rrezeve X mbi përmbajtjen e papastërtive në MWCNT pas ngrohjes, të marra duke përdorur katalizatorin Fe-Co/CaCO 3
Elementi	Vlerësimi i përmbajtjes së papastërtive, wt.%
MWCNT-të fillestare	MWCNT_2200°C shembulli 4	MWCNT_2600°C shembulli 5	MWCNT_2800°C shembulli 6
Fe	0.212	0.0011	0.0014	0.001
Co	0.0936	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve
Al	0.0048	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve
Ca	0.0035	0.005	0.0036	gjurmët e këmbëve
Ni	0.0003	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve
Si	0.0080	0.0169	0.0098	gjurmët e këmbëve
Ti	Nr	gjurmët e këmbëve	0.0021	0.0005
S	0.002	Nr	Nr	Nr
Cl	0.078	Nr	Nr	Nr
Sn	0.0005	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve
Ba	0.008	Nr	Nr	Nr
Cu	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve	gjurmët e këmbëve

Tabela 3
Sipërfaqja specifike BET e mostrave fillestare dhe të ngrohura MWCNT
Mostra MWCNT (katalizator)	Ssp., m 2 /g (±2,5%)
MWCNT_ref (Fe-Co/Al 2 O 3)	390
MWCNT_2200 (Fe-Co/Al 2 O 3) shembulli 1	328
MWCNT_2600 (Fe-Co/Al 2 O 3) shembulli 2	302
MWCNT_2800 (Fe-Co/Al 2 O 3) shembulli 3	304
MWCNT_ref (Fe-Co/CaCO 3)	140
MWCNT_2200 (Fe-Co/CaCO 3) shembulli 4	134
MWCNT_2600 (Fe-Co/CaCO 3) shembull5	140
MWCNT_2800 (Fe-Co/CaCO 3) shembulli 6	134

Titrat për figurat:

Fig.1. Imazhet mikroskopike elektronike të mostrës fillestare MWCNT të sintetizuara në katalizatorin Fe-Co/Al 2 O 3. Në të majtë është një imazh TEM me rezolucion të ulët. Në të djathtë, më poshtë është një imazh TEM me rezolucion të lartë, i cili tregon muret me defekt të MWCNT-ve.

Fig.2. Imazhet mikroskopike elektronike të një kampioni MWCNT të ngrohur në një temperaturë prej 2200°C, të sintetizuara në një katalizator Fe-Co/Al 2 O 3. Në të majtë është një imazh TEM me rezolucion të ulët. Djathtas, poshtë - Imazhi TEM me rezolucion të lartë. Struktura MWCNT bëhet më pak e dëmtuar dhe skajet e nanotubave mbyllen.

Fig.3. Imazhet mikroskopike elektronike të një kampioni MWCNT të ngrohur në një temperaturë prej 2600°C, të sintetizuara në një katalizator Fe-Co/Al 2 O 3. Në të majtë është një imazh TEM me rezolucion të ulët. Në të djathtë, më poshtë është një imazh TEM me rezolucion të lartë që tregon skajet e mbyllura të MWCNT-ve. Muret e MWCNT bëhen më të lëmuara dhe më pak të dëmtuara.

Fig.4. Imazhe mikroskopike elektronike të një kampioni MWCNT të ngrohur në një temperaturë prej 2800°C, të sintetizuara në një katalizator Fe-Co/Al 2 O 3. Në të majtë është një imazh TEM me rezolucion të ulët. Në të djathtë, më poshtë është një imazh TEM me rezolucion të lartë, i cili tregon mure MWCNT më pak të dëmtuara.

Fig.5. Imazhet mikroskopike elektronike të një kampioni MWCNT të ngrohur në një temperaturë prej 2800°C, të sintetizuara në katalizatorin Fe-Co/Al 2 O 3, duke shfaqur pamjen e defekteve në strukturën MWCNT, të cilat janë formacione cilindrike të përbëra nga shtresa grafeni të vendosura brenda secilës. të tjera, të cilat shfaqen në imazhin TEM me rezolucion të lartë djathtas.

Fig.6. Imazhet mikroskopike elektronike të mostrës fillestare MWCNT të sintetizuara në katalizatorin Fe-Co/CaCO 3. Në të majtë është një imazh TEM me rezolucion të ulët. Në të djathtë, më poshtë është një imazh TEM me rezolucion të lartë, i cili tregon sipërfaqen e pabarabartë të MWCNT-ve. Në të djathtë, në krye, grimcat e katalizatorit janë të dukshme të kapsuluara brenda kanaleve të nanotubit të karbonit (të shënuara me shigjeta).

Fig.7. Imazhet mikroskopike elektronike të një kampioni MWCNT të ngrohur në një temperaturë prej 2200°C, të sintetizuara në një katalizator Fe-Co/CaCO 3. Në të majtë është një imazh TEM me rezolucion të ulët. Në të djathtë, më poshtë është një imazh TEM me rezolucion të lartë, i cili tregon mure më të lëmuara të MWCNT-ve.

Fig.8. Imazhe mikroskopike elektronike të një kampioni MWCNT të ngrohur në një temperaturë prej 2600°C, të sintetizuara në një katalizator Fe-Co/CaCO 3. Në të majtë është një imazh TEM me rezolucion të ulët. Poshtë djathtas është një imazh TEM me rezolucion të lartë që tregon skajet e mbyllura të MWCNT-ve. Muret e MWCNT bëhen më të lëmuara dhe më pak të dëmtuara.

Fig.9. Imazhet mikroskopike elektronike të një kampioni MWCNT të ngrohur në një temperaturë prej 2800°C, të sintetizuara në një katalizator Fe-Co/CaCO 3. Në të majtë është një imazh TEM me rezolucion të ulët. Djathtas, poshtë - Imazhi TEM me rezolucion të lartë.

1. Një metodë për pastrimin e nanotubave të karbonit me shumë mure të përftuara nga piroliza e hidrokarbureve duke përdorur katalizatorë që përmbajnë Fe, Co, Ni, Mo, Mn dhe kombinimet e tyre si përbërës aktivë, si dhe Al 2 O 3 , MgO, CaCO 3 si bartës, duke zier në një tretësirë ​​të acidit klorhidrik me larje të mëtejshme me ujë, i karakterizuar nga fakti se pas trajtimit me acid, ngrohja kryhet në një rrjedhë argoni me pastërti të lartë në një furrë me gradient të temperaturës, ku në zonën e punës temperatura është 2200- 2800°C, në skajet e furrës temperatura është 900-1000°C, duke rezultuar në nanotuba me shumë mure me përmbajtje papastërtie metalike më pak se 1 ppm.

2. Metoda sipas pretendimit 1, karakterizuar në atë që ngrohja kryhet në ampula të bëra nga grafiti me pastërti të lartë.