Karbon nanotube: pengeluaran, aplikasi, sifat. Ciri-ciri elektrofizikal nanotube karbon diubah suai

Ciptaan ini berkaitan dengan teknologi bahan nano karbon, khususnya kepada teknologi untuk menghasilkan nanotiub karbon diubah suai.

Karbon nanotube (CNTs) cenderung untuk membentuk aglomerat, menjadikannya sukar untuk diedarkan dalam media yang berbeza. Walaupun CNT diedarkan secara seragam dalam beberapa medium, contohnya, melalui ultrasound yang sengit, selepas masa yang singkat ia secara spontan membentuk aglomerat. Untuk mendapatkan penyebaran CNT yang stabil, pelbagai kaedah pengubahsuaian CNT digunakan, yang dijalankan dengan melampirkan kumpulan berfungsi tertentu pada permukaan CNT, memastikan keserasian CNT dengan persekitaran, menggunakan surfaktan, dan memendekkan CNT terlalu panjang menggunakan pelbagai kaedah.

Dalam perihalan ciptaan ini, istilah "pengubahsuaian" bermaksud perubahan dalam sifat permukaan CNT dan parameter geometri tiub nano individu. Satu kes khas pengubahsuaian ialah kefungsian CNT, yang terdiri daripada cantuman kumpulan berfungsi tertentu ke permukaan CNT.

Terdapat kaedah yang diketahui untuk mengubah suai CNT, yang melibatkan pengoksidaan CNT di bawah pengaruh pelbagai agen pengoksida cecair atau gas (asid nitrik dalam bentuk cecair atau wap, hidrogen peroksida, larutan ammonium persulfat pada pH, ozon, nitrogen berbeza). dioksida dan lain-lain). Terdapat banyak penerbitan mengenai kaedah ini. Walau bagaimanapun, oleh kerana intipati pelbagai kaedah pengoksidaan tiub nano karbon adalah sama, iaitu pengoksidaan permukaan tiub nano karbon dengan pembentukan kumpulan hidroksil dan karboksil permukaan, ini memberi alasan untuk mempertimbangkan pelbagai kaedah yang digambarkan sebagai varian satu kaedah. Contoh biasa ialah penerbitan Datsyuk V., Kalyva M., Papagelis K., Parthenios J., Tasis D., Siokou A., Kallitsis I., Galiotis C. Pengoksidaan kimia tiub nano karbon berbilang dinding //Karbon, 2008, vol.46, hlm.833-840, yang menerangkan beberapa pilihan (menggunakan asid nitrik, hidrogen peroksida dan ammonium persulfat).

Ciri penting biasa kaedah yang dipertimbangkan dan ciptaan yang didakwa ialah rawatan tiub nano karbon dengan larutan agen pengoksidaan.

Kaedah yang dipertimbangkan dicirikan oleh kecekapan yang tidak mencukupi untuk membelah aglomerat CNT dan mencapai keterserakan yang baik bagi CNT teroksida dalam air dan pelarut organik kutub. Sebagai peraturan, tiub nano karbon yang teroksida dengan kaedah yang diketahui tersebar dengan baik dalam air dan pelarut organik kutub (di bawah pengaruh ultrasound) hanya pada kepekatan tiub nano yang sangat rendah dalam cecair (biasanya mengikut urutan 0.001-0.05% mengikut berat). . Apabila kepekatan ambang melebihi, tiub nano berkumpul menjadi aglomerat besar (serpihan), yang memendakan.

Dalam beberapa karya, sebagai contoh, Wang Y., Deng W., Liu X., Wang X. Sifat penyimpanan hidrogen elektrokimia bagi tiub nano karbon berbilang dinding giling bola //Jurnal antarabangsa tenaga hidrogen, 2009, vol.34 , hlm 1437-1443; Lee J., Jeong T., Heo J., Park S.-H., Lee D., Park J.-B., Han H., Kwon Y., Kovalev I., Yoon S.M., Choi J.-Y ., Jin Y., Kirn J.M., An K.H., Lee Y.H., Yu S. Karbon nanotiub pendek yang dihasilkan oleh penghancuran kriogenik //Carbon, 2006, vol.44, p.2984-2989; Konya Z., Zhu J., Niesz K., Mehn D., Kiricsi I. Akhir morfologi tiub nano karbon giling bola //Carbon, 2004, vol.42, p.2001-2008, menerangkan kaedah untuk mengubah suai CNT dengan memendekkan mereka, yang dicapai dengan pemprosesan mekanikal CNT yang berpanjangan dalam cecair atau matriks beku. CNT yang dipendekkan mempunyai keterserakan yang lebih baik dalam cecair dan sifat elektrokimia yang lebih baik.

Ciri penting biasa kaedah yang dipertimbangkan dan dicadangkan ialah pemprosesan mekanikal CNT yang tersebar dalam mana-mana medium.

Kelemahan kaedah yang dipertimbangkan ialah ia tidak memastikan kefungsian CNT dengan kumpulan kutub, akibatnya CNT yang dirawat dengan cara ini masih tidak tersebar dengan baik dalam media kutub.

Yang paling hampir dengan ciptaan yang didakwa ialah kaedah yang diterangkan dalam karya Chiang Y.-C., Lin W.-H., Chang Y.-C. Pengaruh tempoh rawatan pada nanotiub karbon berbilang dinding yang difungsikan oleh pengoksidaan H2SO4/HNO3 //Applied Surface Science, 2011, vol.257, p.2401-2410 (prototaip). Mengikut kaedah ini, pengubahsuaian CNT dicapai dengan pengoksidaan dalam mereka semasa mendidih berpanjangan dalam larutan akueus yang mengandungi asid sulfurik dan nitrik. Dalam kes ini, pertama, kumpulan berfungsi kutub (khususnya, kumpulan karboksil) dicantumkan pada permukaan CNT, dan dengan masa rawatan yang cukup lama, pemendekan tiub nano dicapai. Pada masa yang sama, penurunan dalam ketebalan tiub nano juga diperhatikan kerana pengoksidaan lengkap lapisan karbon permukaan kepada karbon dioksida. Varian kaedah ini diterangkan dalam sumber lain, contohnya dalam artikel yang disebutkan oleh Datsyuk V., Kalyva M. et al., serta Ziegler K.J., Gu Z., Peng H., Flor E.L., Hauge R.H., Smalley R.E. Pemotongan oksidatif terkawal tiub nano karbon berdinding tunggal //Journal of American Chemical Society, 2005, vol.127, isu 5, p.1541-1547. Sumber yang diterbitkan menunjukkan bahawa nanotube karbon teroksida yang dipendekkan mempunyai keupayaan yang lebih tinggi untuk tersebar dalam air dan pelarut organik polar.

Ciri penting biasa kaedah yang dicadangkan dan kaedah prototaip ialah rawatan CNT dengan larutan akueus agen pengoksida. Kaedah inventif dan kaedah prototaip juga bertepatan dengan hasil yang dicapai, iaitu cantuman kumpulan berfungsi kutub ke permukaan CNT dicapai serentak dengan pemendekan CNT panjang.

Kelemahan kaedah prototaip adalah keperluan untuk menggunakan lebihan asid yang besar, yang meningkatkan kos proses dan mewujudkan masalah alam sekitar semasa pelupusan sisa, serta pengoksidaan sebahagian daripada tiub nano karbon kepada karbon dioksida, yang mengurangkan hasil produk akhir (nanotube karbon diubah suai) dan menjadikannya lebih mahal. Di samping itu, kaedah ini sukar untuk skala. Dalam keadaan makmal, instrumen kaca boleh digunakan, tetapi untuk pengeluaran perintis, peralatan keluli tahan karat adalah lebih baik. Mendidih nanotiub dalam larutan asid mewujudkan masalah rintangan kakisan peralatan.

Asas ciptaan yang didakwa adalah tugas untuk menghapuskan kelemahan kaedah yang diketahui dengan memilih reagen pengoksidaan dan keadaan pengoksidaan.

Masalahnya diselesaikan oleh fakta bahawa mengikut kaedah pengubahsuaian nanotube karbon, yang termasuk merawat nanotube karbon dengan larutan akueus agen pengoksidaan, rawatan nanotube karbon dengan larutan akueus agen pengoksidaan dijalankan secara serentak dengan mekanikal. rawatan, dan larutan persulfat atau hipoklorit pada pH lebih daripada 10 digunakan sebagai agen pengoksidaan.

Pemprosesan mekanikal dijalankan menggunakan kilang manik.

Agen pengoksidaan diambil dalam jumlah yang bersamaan dengan 0.1 hingga 1 g atom oksigen aktif setiap 1 g atom karbon tiub nano.

Lebihan hipoklorit dalam campuran tindak balas pada pH lebih daripada 10 dikeluarkan dengan menambahkan hidrogen peroksida.

Menjalankan rawatan tiub nano karbon dengan larutan akueus agen pengoksida secara serentak dengan rawatan mekanikal dan penggunaan larutan persulfat atau hipoklorit sebagai agen pengoksidaan pada pH lebih daripada 10 menghapuskan keperluan untuk menggunakan lebihan asid yang besar, yang meningkatkan kos proses dan mewujudkan masalah alam sekitar semasa pelupusan sisa, serta kehilangan produk siap akibat pengoksidaan sebahagian daripada karbon tiub nano kepada karbon dioksida.

Untuk pemprosesan mekanikal, peranti yang dikenali dalam seni boleh digunakan, seperti kilang manik, kilang getaran, kilang bebola dan peranti lain yang serupa. Malah, kilang manik adalah salah satu peranti yang paling mudah untuk menyelesaikan tugas.

Ammonium persulfate, sodium persulfate, potassium persulfate, sodium hypochlorite, potassium hypochlorite boleh digunakan sebagai agen pengoksidaan. Kaedah yang paling berkesan dituntut dijalankan apabila merawat tiub nano karbon dengan larutan agen pengoksida pada pH lebih daripada 10. Pada pH yang lebih rendah, kakisan peralatan dan penguraian agen pengoksida yang tidak sesuai dengan pembebasan klorin (dari hipoklorit) atau oksigen (dari persulfat) adalah mungkin. Nilai pH yang diperlukan boleh ditetapkan dengan menambah bahan yang diketahui mempunyai tindak balas alkali kepada larutan, contohnya, ammonia, natrium karbonat, kalium karbonat, natrium hidroksida, kalium hidroksida, dan bahan alkali lain yang tidak bertindak balas dengan agen pengoksidaan di bawah. syarat pemprosesan. Dalam kes ini, seseorang harus mengambil kira data yang diketahui bahawa hipoklorit bertindak balas dengan ammonia. Oleh itu, ammonia tidak boleh digunakan dalam sistem hipoklorit. Apabila menggunakan persulfat untuk membentuk pH beralkali, semua bahan yang disenaraikan boleh digunakan.

Untuk melaksanakan kaedah yang dicadangkan, jumlah optimum agen pengoksidaan adalah bersamaan dengan 0.1 hingga 1 g atom oksigen aktif setiap 1 g atom karbon tiub nano. Apabila jumlah agen pengoksidaan kurang daripada had bawah yang ditentukan, nanotube karbon diubah suai yang terhasil adalah kurang tersebar dengan baik dalam air dan pelarut organik polar. Melebihi jumlah pengoksida melebihi had atas yang ditentukan adalah tidak praktikal, kerana, walaupun ia mempercepatkan proses pengoksidaan tiub nano, ia tidak meningkatkan kesan yang bermanfaat.

Untuk melaksanakan kaedah yang dicadangkan, bahan dan peralatan permulaan berikut digunakan:

Karbon nanotiub jenama Taunit dan Taunit-M yang dihasilkan oleh NanoTechCenter LLC, Tambov.

Ammonium persulfate, gred analitik.

Natrium hipoklorit mengikut GOST 11086-76 dalam bentuk larutan akueus yang mengandungi 190 g/l klorin aktif dan 12 g/l natrium hidroksida bebas.

Ammonia berair 25% gred analitik.

Natrium karbonat kontang, gred analitik.

Air suling.

Dimethylacetamide, gred analitik.

Etil alkohol 96%.

Kilang manik mendatar MShPM-1/0.05-VK-04 dihasilkan oleh NPO DISPOD. Bebola zirkonium dioksida dengan diameter 1.6 mm digunakan sebagai media pengisar.

Pemasangan ultrasonik IL-10.

1460 ml air suling dituangkan ke dalam bekas keluli tahan karat 4 liter dan 228.4 g ammonium persulfat dibubarkan, selepas itu 460 ml 25% ammonia ditambah. 1099 g pes akueus tiub nano karbon Taunit-M (dimurnikan daripada kekotoran mineral dengan rawatan dengan asid hidroklorik), mengandungi 5.46% bahan kering, telah ditambah kepada larutan ini dan dicampur dengan teliti sehingga penggantungan homogen terbentuk. Suspensi yang terhasil dimuatkan ke dalam kilang manik dengan manik zirkonium dioksida dengan diameter 1.6 mm dan diproses selama 7 jam. Kemudian suspensi yang dirawat dipunggah, ditapis daripada manik, diasidkan dengan asid hidroklorik kepada tindak balas berasid, ditapis melalui penapis yang diperbuat daripada bahan polipropilena bukan tenunan dan dibasuh dengan air sehingga air basuhan adalah neutral. Sedimen yang telah dibasuh disedut dalam vakum dan dibungkus dalam bekas plastik bertutup. Kandungan jisim bahan kering (nanotubes) dalam pes yang terhasil ialah 8.52% (selebihnya adalah air). Produk yang terhasil dikeringkan dalam ketuhar pada suhu 80°C hingga berat tetap.

Untuk menguji keterlarutan (dispersibility), sampel CNTM-1 disebarkan dalam air atau pelarut organik menggunakan rawatan ultrasound. Eksperimen telah menunjukkan bahawa CNT-1 sangat larut dalam air, sebaik-baiknya pada pH asas (dicipta dengan penambahan ammonia atau bes organik). Penambahan bes menggalakkan pembentukan larutan yang stabil (penyebaran) tiub nano yang diubah suai, kerana ia membawa kepada pengionan kumpulan karboksil permukaan dan penampilan cas negatif pada tiub nano.

Oleh itu, larutan akueus yang stabil diperolehi (seperti yang dapat dilihat daripada ketelusan larutan dan ketiadaan kepingan) yang mengandungi 0.5% CNTM-1 dengan kehadiran 0.5% triethanolamine sebagai pengatur pH. Had keterlarutan CNTM-1 dalam sistem ini adalah kira-kira 1% apabila kepekatan ini melebihi, kemasukan gel muncul.

Dalam dimethylacetamide (tanpa bahan tambahan asing), penyelesaian telus stabil CNTM-1 dengan kepekatan jisim 1 dan 2% diperolehi dengan rawatan ultrasonik. Dalam kes ini, dimethylacetamide, yang merupakan asas lemah, secara berkesan melarutkan CNTM-1 tanpa penambahan pengawal selia pH luar. Penyelesaian 1% adalah stabil selama-lamanya semasa penyimpanan, tetapi selepas beberapa hari larutan 2% mula menunjukkan tanda-tanda thixotropy, tetapi tanpa pembentukan aglomerat.

Tuang 2.7 liter air suling ke dalam bekas keluli tahan karat 4 liter, tambah 397.5 g natrium karbonat kontang dan kacau sehingga larut sepenuhnya. Selepas melarutkan natrium karbonat, larutan natrium hipoklorit (0.280 l) dituangkan ke dalam dan campuran itu dicampur dengan teliti. Kemudian, secara beransur-ansur, dengan kacau, 60 g mentah Taunit-M (mengandungi kira-kira 3% mengikut berat kekotoran mangkin, terutamanya magnesium oksida) ditambah dan dikacau sehingga penggantungan homogen. Suspensi ini dimuatkan ke dalam kilang manik dengan manik zirkonia berdiameter 1.6 mm dan diproses selama 7 jam. Kemudian suspensi yang dirawat dipunggah, ditapis daripada manik, diasidkan dengan asid hidroklorik kepada tindak balas berasid dan disimpan selama 3 hari pada suhu bilik untuk melarutkan sepenuhnya sisa mangkin dan kemungkinan kekotoran sebatian besi (dari badan dan jari kilang manik) . Oleh itu, tiub nano telah dibersihkan secara serentak dengan asid daripada kekotoran mangkin. Suspensi berasid yang terhasil ditapis melalui penapis yang diperbuat daripada bahan polipropilena bukan tenunan dan dibasuh dengan air sehingga air basuhan adalah neutral. Sedimen yang telah dibasuh disedut dalam vakum dan dibungkus dalam bekas plastik bertutup. Kandungan jisim bahan kering (nanotubes) dalam pes yang terhasil ialah 7.33% (selebihnya adalah air). Produk yang terhasil dikeringkan dalam ketuhar pada suhu 80°C hingga berat tetap.

Jika jumlah hipoklorit dalam campuran tindak balas dengan tiub nano adalah berlebihan, ini mempercepatkan pengoksidaan permukaan tiub nano, tetapi mewujudkan masalah alam sekitar kerana apabila campuran diasidkan, hipoklorit yang tidak bertindak balas membebaskan klorin, mengikut persamaan tindak balas:

2NaOCl+2НCl→2NaCl+Н 2 O+Сl 2

Untuk meneutralkan hipoklorit berlebihan, hidrogen peroksida ditambah kepada campuran tindak balas pada pH lebih daripada 10. Seperti yang telah kami tetapkan, tindak balas berikut berlaku:

NaOCl+H 2 O 2 →NaCl+H 2 O+O 2

Akibatnya, produk yang tidak berbahaya terbentuk.

Untuk menguji keterlarutan (dispersibility), sampel CNTM-1 telah disebarkan dalam air atau pelarut organik menggunakan rawatan ultrasound. Eksperimen telah menunjukkan bahawa CNTM-1 sangat larut dalam air, sebaik-baiknya pada pH asas (dicipta dengan penambahan ammonia atau triethanolamine). Penambahan bes menggalakkan pembentukan larutan yang stabil (penyebaran) tiub nano yang diubah suai, kerana ia membawa kepada pengionan kumpulan karboksil permukaan dan penampilan cas negatif pada tiub nano.

Dalam dimethylacetamide (tanpa bahan tambahan asing), penyelesaian telus stabil CNTM-1 dengan kepekatan jisim 1 dan 2% diperolehi dengan rawatan ultrasonik. Dalam kes ini, dimethylacetamide, yang merupakan asas, secara berkesan melarutkan CNTM-1 tanpa penambahan pengawal selia pH luar, larutan 1% adalah stabil selama penyimpanan, manakala larutan 2% mula menunjukkan tanda-tanda thixotropy selepas beberapa hari; , tetapi tanpa pembentukan aglomerat.

Sebagai perbandingan, keterlarutan dikaji (di bawah pengaruh ultrasound di bawah keadaan yang sama) dalam pelarut yang sama tiub karbon Taunit-M, teroksida mengikut prosedur yang diberikan dalam kaedah prototaip, dengan campuran asid nitrik dan sulfurik tanpa mekanikal. rawatan. Eksperimen telah menunjukkan bahawa CNT yang teroksida dengan asid nitrik berlebihan tanpa rawatan mekanikal mempunyai keterlarutan yang sama seperti yang diperolehi mengikut ciptaan yang didakwa. Walau bagaimanapun, kaedah yang dicadangkan adalah mudah untuk skala, tidak ada masalah dengan rintangan kakisan peralatan dan masalah alam sekitar dengan peneutralan sisa. Proses rawatan mekanokimia mengikut kaedah yang didakwa berlaku pada suhu bilik. Kaedah prototaip memerlukan penggunaan lebihan asid nitrik dan sulfurik yang begitu besar sehingga menskalakannya dan memastikan keselamatan alam sekitar sangat bermasalah.

Data yang dibentangkan mengesahkan keberkesanan kaedah yang dicadangkan untuk menghasilkan CNT yang diubah suai. Dalam kes ini, penyelesaian asid agresif tidak digunakan, seperti dalam kaedah prototaip, dan kehilangan karbon daripada tiub nano akibat pengoksidaan kepada karbon dioksida (karbonat dalam larutan alkali) hampir tidak hadir.

Oleh itu, kaedah yang dicadangkan memungkinkan untuk mendapatkan nanotube karbon diubah suai yang mempunyai keterserakan yang baik dalam air dan pelarut organik kutub, boleh ditingkatkan dengan mudah, dan memastikan pengeluaran mesra alam.

1. Kaedah untuk mengubah suai tiub karbon, termasuk merawat tiub nano karbon dengan larutan akueus agen pengoksida, dicirikan bahawa rawatan tiub nano karbon dengan larutan akueus agen pengoksida dijalankan serentak dengan rawatan mekanikal, dan larutan persulfat atau hipoklorit digunakan sebagai agen pengoksidaan pada pH lebih daripada 10, dan agen pengoksidaan diambil dalam jumlah , bersamaan dengan 0.1 hingga 1 g-atom oksigen aktif setiap 1 g-atom tiub nano karbon.

2. Kaedah mengikut tuntutan 1, dicirikan dalam pemprosesan mekanikal dijalankan menggunakan kilang manik.

3. Kaedah mengikut tuntutan 1, yang dicirikan dalam hipoklorit berlebihan dalam campuran tindak balas pada pH lebih daripada 10 dikeluarkan dengan menambah hidrogen peroksida.

Paten serupa:

Ciptaan ini berkaitan dengan bahan komposit karbon berliang. Bahan komposit karbon berliang terbentuk daripada (A) bahan karbon berliang yang diperoleh daripada bahan tumbuhan yang mempunyai kandungan silikon (Si) sebanyak 5% jisim atau lebih tinggi sebagai bahan mentah, kata bahan karbon berliang yang mempunyai kandungan silikon 1 wt. % atau kurang, dan (B) bahan berfungsi yang disokong pada bahan karbon berliang, dan mempunyai luas permukaan tertentu 10 m2/g atau lebih, seperti yang ditentukan oleh penjerapan nitrogen dengan kaedah BET, dan isipadu liang 0.1 cm3/g atau lebih , yang ditentukan oleh kaedah BJH dan kaedah MP.

Ciptaan ini berkaitan dengan industri kimia. Bahan karbon-logam dalam bentuk campuran gentian karbon dan zarah nikel yang terkapsul dalam karbon tidak berstruktur dengan diameter 10 hingga 150 nanometer diperoleh dengan pirolisis pemangkin etanol pada tekanan atmosfera.

Ciptaan ini boleh digunakan dalam penghasilan bahan komposit. Bahan nano karbon awal, seperti tiub nano, benang nano atau gentian nano, dirawat dalam campuran asid nitrik dan hidroklorik pada suhu 50-100°C selama sekurang-kurangnya 20 minit, dibasuh dengan air dan dikeringkan.

Ciptaan ini berkaitan dengan bidang kimia fizikal dan koloid dan boleh digunakan dalam penyediaan komposisi polimer. Suspensi organik terpencar halus bagi struktur nano yang mengandungi logam karbon diperolehi melalui interaksi struktur nano dan polietilena poliamina.

Ciptaan ini berkaitan dengan industri petrokimia dan kimia plasma dan boleh digunakan untuk pemprosesan plasma dan pelupusan sisa penapisan minyak. Bahan suapan hidrokarbon cecair 5 diuraikan oleh nyahcas elektrik dalam peranti nyahcas yang terletak di dalam kebuk vakum 6.

Ciptaan ini berkaitan dengan bidang nanoteknologi, dan lebih tepat lagi kaedah untuk mengisi rongga dalaman tiub nano dengan bahan kimia, dan boleh digunakan untuk mengisi rongga dalaman tiub nano dengan bahan yang diperlukan apabila menggunakannya dalam bentuk bekas nano dan untuk penghasilan bahan nano dengan sifat berguna baharu.

Ciptaan ini berkaitan dengan peranti graphene elektronik. Peranti elektronik pemancar cahaya yang fleksibel dan boleh renggang terdiri daripada elektrod graphene pertama, elektrod graphene kedua, semikonduktor graphene dan elektrod graphene kawalan yang diletakkan di antara elektrod graphene pertama dan kedua dan bersentuhan dengan semikonduktor graphene.

Kegunaan: untuk pengeluaran kitaran tertutup produk nanoelektronik baharu. Intipati ciptaan terletak pada fakta bahawa dalam kompleks nanoteknologi berdasarkan teknologi ion dan probe, termasuk ruang pengedaran dengan cara mengepam, di mana pengedar robot pusat dengan kemungkinan putaran paksi terletak, yang mengandungi pencengkam pembawa substrat , manakala ruang pengedaran mengandungi bebibir yang dengannya ia disambungkan dengan ruang pemuatan dan modul implantasi ion, penangkapan pembawa substrat mempunyai keupayaan untuk berinteraksi dengan ruang pemuatan dan modul implantasi ion, modul pengukur telah diperkenalkan, termasuk mikroskop probe pengimbasan dan modul pancaran ion dengan sistem penyuntik gas, semasa ia disambungkan ke bebibir ruang pengedaran dan mempunyai interaksi keupayaan dengan penangkapan pembawa substrat. Peranti fotovoltaik organik, kaedah pembuatan dan penggunaan pengubah yang mengandungi fluorin untuk meningkatkan ciri-ciri sel solar organik // 2528416

Ciptaan ini berkaitan dengan bidang elektronik organik, iaitu peranti fotovoltaik organik (bateri solar dan pengesan foto) yang dibuat menggunakan sebatian yang mengandungi fluorin organik sebagai bahan tambahan pengubahsuaian.

Ciptaan ini berkaitan dengan bidang kimia, biologi dan perubatan molekul, iaitu kaedah untuk menghasilkan sistem bersaiz nano untuk penghantaran trifosfat nukleosida. Kaedah ini melibatkan pengubahsuaian pembawa, yang menggunakan nanozarah silikon dioksida yang mengandungi amino sehingga saiz 24 nm, dengan merawat yang terakhir dengan ester N-hydroxysuccinimide daripada asid azidoatik alifatik, kemudian mendapatkan nukleosida trifosfat (pppN) diubahsuai dengan merawat yang terakhir dengan campuran triphenylphosphine/dithiodipyridine, diikuti dengan pengeraman pppN terbitan aktif yang terhasil dengan 3-propynyloxypropylamine dan imobilisasi seterusnya pppN yang diubah suai pada nanopartikel diubah suai azida yang terhasil selama 2-4 jam.

Ciptaan ini boleh digunakan dalam industri kimia untuk penulenan halus campuran gas yang mengandungi hidrogen daripada karbon oksida dengan menghidrogenkannya kepada metana. Ciptaan ini berkaitan dengan kaedah untuk menghasilkan mangkin untuk proses metana, termasuk impregnasi pembawa berasaskan aluminium oksida aktif dalam bentuk butiran dalam larutan yang mengandungi nikel nitrat, diikuti dengan pengeringan pada suhu 100°C - 120° C dan pengkalsinan pada suhu 450°C-500°C pembawa yang diresapi, manakala aditif pengubahsuaian dimasukkan ke dalam larutan nikel nitrat - asid organik dengan kepekatan 0.5-20.0 wt.%, dan pemangkin siap mengandungi Hablur tunggal NiO dengan saiz sampel purata terletak dalam julat 2-3 nanometer, dengan kepekatan NiO 12.0-25.0 wt.% dan γ-Al2O3 - selebihnya. Hasil teknikal terdiri daripada mencipta kaedah untuk menghasilkan pemangkin metana dengan peningkatan kebolehpercayaan dan aktiviti, membolehkan mengurangkan kos dan memendekkan tempoh masa untuk melaksanakan kaedah tersebut. 2 gaji fail, 1 jadual, 13 pr.

Ciptaan ini boleh digunakan untuk menghasilkan nanotube karbon diubah suai. Kaedah pengubahsuaian tiub karbon melibatkan rawatan tiub nano karbon dengan larutan akueus agen pengoksida, iaitu larutan persulfat atau hipoklorit pada pH lebih daripada 10, dijalankan serentak dengan rawatan mekanikal. Ciptaan ini memungkinkan untuk mendapatkan nanotube karbon diubah suai dengan keterserakan yang baik dalam air dan pelarut organik kutub dengan penggunaan reagen yang rendah berbanding kaedah yang diketahui. 2 gaji f-ly, 2 ave.

Bahan karbon serbuk (grafit, karbon, karbon hitam, CNT, graphene) digunakan secara meluas sebagai pengisi berfungsi untuk pelbagai bahan, dan sifat elektrik komposit dengan pengisi karbon ditentukan oleh struktur dan sifat karbon, serta teknologi untuk pengeluaran mereka. CNT ialah bahan serbuk yang diperbuat daripada struktur rangka bentuk alotropik karbon dalam bentuk CNT berbilang dinding berongga dengan diameter luar 10–100 nm (Rajah 1). Seperti yang diketahui, kerintangan elektrik (ρ, Ohm∙m) CNT bergantung pada kaedah sintesis dan penulenannya dan boleh berkisar antara 5∙10-8 hingga 0.008 Ohm∙m, iaitu kurang daripada
pada grafit.
Apabila menghasilkan komposit konduktif, bahan yang sangat konduktif (serbuk logam, karbon hitam, grafit, karbon dan gentian logam) ditambah kepada dielektrik. Ini membolehkan anda mengubah kekonduksian elektrik dan ciri dielektrik komposit polimer.
Kajian ini dijalankan untuk menentukan kemungkinan menukar kerintangan elektrik CNT melalui pengubahsuaiannya. Ini akan memperluaskan penggunaan tiub tersebut sebagai pengisi untuk komposit polimer dengan kekonduksian elektrik yang dirancang. Kerja ini menggunakan sampel serbuk CNT yang dihasilkan oleh ALIT-ISM (Zhitomir, Kyiv) dan serbuk CNT yang tertakluk kepada pengubahsuaian kimia. Untuk membandingkan ciri-ciri elektrik bahan karbon, kami menggunakan sampel CNT "Taunit" (Tambov), disintesis mengikut TU 2166-001-02069289-2007, CNT LLC "TMSpetsmash" (Kyiv), dihasilkan mengikut TU U 24.1-03291669 -009:2009, grafit pijar . CNT yang dihasilkan oleh ALIT-ISM dan Taunit disintesis oleh kaedah CVD pada pemangkin NiO/MgO, dan CNT oleh TMSpetsmash LLC disintesis pada mangkin FeO/NiO (Rajah 2). Dalam kajian itu, di bawah keadaan yang sama dan menggunakan kaedah yang sama dibangunkan, ciri-ciri elektrik sampel bahan karbon telah ditentukan. Kerintangan elektrik sampel dikira dengan menentukan ciri voltan semasa sampel serbuk kering yang ditekan pada tekanan 50 kG (Jadual 1).
Pengubahsuaian CNT (No. 1–4) menunjukkan kemungkinan mengubah ciri elektrofizik CNT menggunakan pengaruh fizikokimia (lihat Jadual 1). Khususnya, kerintangan elektrik sampel asal dikurangkan sebanyak 1.5 kali (No. 1); dan untuk sampel No. 2–4 – meningkat sebanyak 1.5–3 kali ganda.
Pada masa yang sama, jumlah kekotoran (bahagian dalam bentuk sisa tidak mudah terbakar) berkurangan daripada
2.21 (CNT asal) kepada 1.8% untuk
sampel No. 1 dan sehingga 0.5% untuk No. 3. Kerentanan magnet khusus sampel No. 2–4 menurun daripada 127∙10-8 kepada 3.9∙10-8 m3/kg. Luas permukaan khusus semua sampel meningkat hampir 40%. Di antara CNT yang diubah suai, kerintangan elektrik minimum (574∙10-6 Ohm∙m) telah direkodkan dalam sampel No. 1, yang hampir dengan rintangan grafit boleh pijar (33∙10-6 Ohm∙m). Dari segi rintangan khusus, sampel CNT dari Taunit dan TMSpetsmash LLC adalah setanding dengan sampel No. 2, 3, dan kerentanan magnet khusus sampel ini adalah susunan magnitud yang lebih tinggi daripada sampel CNT yang diubah suai (ALIT-ISM).
Telah ditetapkan bahawa kerintangan elektrik CNT boleh diubah dari 6∙10-4 hingga
12∙10-4 Ohm∙m. Spesifikasi telah dibangunkan untuk penggunaan CNT yang diubah suai dalam pembuatan bahan komposit dan polihablur, salutan, pengisi, ampaian, pes dan bahan lain yang serupa
TU U 24.1-05417377-231:2011 "Serbuk nano daripada CNT berbilang dinding gred MWCNT-A",
MUN-V (MWCNT-B), MUN-S (MWCNT-S)"
(Jadual 2).
Apabila serbuk CNT yang diubah suai dimasukkan ke dalam asas polietilena komposit sebagai pengisi, kekonduksian elektrik komposit polimer meningkat dengan peningkatan kekonduksian elektriknya. Oleh itu, sebagai hasil daripada pengubahsuaian sasaran CNT, kemungkinan untuk mengubah ciri-ciri mereka, khususnya, kerintangan elektrik, terbuka.
kesusasteraan
1. Tkachev A.G., Zolotukhin I.V. Peralatan dan kaedah untuk sintesis struktur nano keadaan pepejal. – M.: Mashinostroenie-1, 2007.
2. Bogatyreva G.P., Marinich M.A., Bazaliy G.A., Ilnitskaya G.D., Kozina G.K., Frolova L.A. Kajian pengaruh rawatan kimia terhadap sifat fizikokimia tiub nano karbon. Sab. saintifik tr. "Fullerenes dan struktur nano dalam bahan pekat." / Ed.
P.A. Vityaz. – Minsk: Institusi Saintifik Negeri “Institut Pemindahan Haba dan Jisim”
menukar mereka A.V. Lykova" NAS of Belarus, 2011, ms. 141–146.
3. Novak D.S., Berezenko N.M., Shostak T.S., Pakharenko V.O., Bogatyreva G.P., Oleynik N.A., Bazaliy G.A. Nanokomposit konduktif elektrik berasaskan polietilena. Sab. saintifik tr. "Alat pemotongan batu dan kerja logam - peralatan dan teknologi untuk pembuatan dan penggunaannya." – Kyiv: ISM
mereka. V.N.Bakulya NAS Ukraine, 2011, keluaran 14, ms.394–398.

Bahan karbon serbuk (grafit, arang batu, jelaga, CNT, graphene) digunakan secara meluas sebagai pengisi berfungsi bahan yang berbeza, dan sifat elektrik komposit dengan pengisi karbon ditentukan oleh struktur dan sifat karbon dan oleh teknologi pengeluaran. CNT ialah bahan serbuk struktur rangka bentuk alotropik karbon dalam bentuk CNT berdinding berongga dengan diameter luar 10 hingga 100 nm (Gamb.1a,b). Adalah diketahui bahawa kerintangan elektrik (ρ, Ohm∙m) CNT bergantung pada kaedah sintesis dan penulenannya dan boleh berkisar antara 5∙10-8 hingga 0.008 Ohm∙m, iaitu mengikut susunan lebih rendah daripada grafit .
Rajah 1. a) – Serbuk CNT, b) – serpihan CNT (Mikoskop Elektronik Kuasa)
Semasa pembuatan komposit konduktif, bahan konduktif tinggi (serbuk logam, karbon teknikal, grafit, karbon dan gentian logam) ditambah kepada dielektrik. Ini membolehkan untuk mengubah kekonduksian dan sifat dielektrik komposit polimer.
Penyiasatan ini dijalankan untuk menentukan kemungkinan menukar rintangan elektrik spesifik CNT melalui pengubahsuaian mereka. Ini akan memperluaskan penggunaan tiub tersebut sebagai pengisi komposit polimer dengan kekonduksian elektrik yang dirancang. Siasatan menggunakan sampel serbuk awal CNT yang dibuat oleh ALIT-ISM (Zhytomyr, Kiev) dan serbuk CNT yang tertakluk kepada pelbagai pengubahsuaian kimia. Untuk membandingkan ciri elektrofizik bahan karbon sampel CNT "Taunit" (Tambov, Rusia) yang disintesis di bawah 2166-001-02069289-2007, LLC "TMSpetsmash" (Kiev), dibuat di bawah 24.1-03291669-009:2009, grafit CNT dibuat oleh ALIT-ISM dan "Taunit" disintesis dengan kaedah CVD- pada pemangkin NiO/MgO dan CNT yang dibuat oleh LLC "TMSpetsmash" – pada mangkin FeO/NiO telah digunakan (Rajah 2).
Rajah.2 a – CNT (ALIT-ISM), b – CNT "TMSpetsmash" (PEM-imej).
Penyiasatan di bawah keadaan yang sama menggunakan kaedah yang sama yang dibangunkan dalam ISM menentukan ciri fizikal elektrik sampel bahan karbon telah ditentukan. Rintangan elektrik khusus sampel dikira dengan menentukan ciri voltan semasa unsur serbuk kering yang ditekan di bawah tekanan 50 kg. (Jadual 1).
Pengubahsuaian CNT (No.1-4) telah menunjukkan kemungkinan untuk menukar sifat elektriknya secara porpusfully dengan bantuan kesan fizikal dan kimia. Khususnya, kerintangan elektrik khusus sampel awal dikurangkan 1.5 kali (No.1) dan untuk No. 2 - 4 ia meningkat 1.5-3 kali.
Dalam kes ini, jumlah kekotoran (serinya dalam bentuk sisa tidak mudah terbakar) dikurangkan daripada 2.21% (CNT awal) kepada 1.8% untuk No.1 dan kepada 0.5% untuk No.3. Kerentanan magnet bagi sampel No.2 – 4 telah dikurangkan mengikut susunan. Luas permukaan khusus semua sampel meningkat hampir 40%. Antara rintangan elektrik spesifik minimum CNT yang diubah suai (574∙10-6 Ohm∙m) ditetapkan untuk sampel No.1 yang hampir dengan rintangan grafit pijar (337∙10-6 Ohm∙m). Dengan rintangan khusus, sampel CNT "Taunit" dan "TMSpetsmash" boleh dibandingkan dengan sampel No.2 dan No.3, dan kerentanan magnet bagi sampel ini adalah mengikut susunan yang lebih tinggi daripada sampel CNT yang diubah suai ("Alit -ISM").
Oleh itu, kemungkinan mengubah suai CNT untuk mengubah nilai kerintangan elektrik tertentu CNT dalam julat 6∙10-4÷12∙10-4Ohm∙m telah dinyatakan. Terdapat spesifikasi yang dibangunkan 24.1-05417377-231:2011 "Serbuk nano daripada CNT berdinding berbilang gred MWCNTs-A, MWCNTs-B, MWCNTs-C (Jadual 2) untuk CNT diubah suai untuk pengeluaran bahan komposit dan polihablur, salutan, pengisi , pes dan bahan lain yang serupa.
Pada pengenalan ke dalam asas polietilena komposit sebagai pengisi serbuk diubah suai CNT gred baharu dengan peningkatan kekonduksian elektrik CNT kekonduksian elektrik komposit polimer meningkat. Oleh itu, hasil daripada pengubahsuaian diarahkan CNTs terdapat peluang baru untuk mengubah ciri-ciri mereka, khususnya, nilai kerintangan elektrik.
kesusasteraan

· Permohonan · Kesan toksik · Artikel berkaitan · Komen · Nota · Kesusasteraan · Laman web rasmi ·

Skim struktur pelbagai pengubahsuaian karbon
a: berlian, b: grafit, c: lonsdaleite
d: fullerene - buckyball C 60, e: fullerene C 540, f: fullerene C 70
g: karbon amorf, h: tiub nano karbon

Maklumat lanjut: Alotropi karbon

Karbon kristal

berlian
Graphene
grafit
karbin
lonsdaleite
Nanodiamond
Fullerenes
Fullerite
Gentian karbon
Nanofibers karbon
Karbon nanotiub

Karbon amorfus

Karbon diaktifkan
arang
Arang batu fosil: antrasit, dsb.
Kok arang batu, kok petroleum, dll.
Karbon berkaca
Karbon hitam
Karbon nanofoam

Dalam amalan, secara amnya, bentuk amorf yang disenaraikan di atas adalah sebatian kimia dengan kandungan karbon yang tinggi, bukannya bentuk alotropik tulen karbon.

Bentuk kluster

Astralens
Dikarbon
Nanokon karbon

Struktur

Orbital elektron atom karbon boleh mempunyai geometri yang berbeza, berdasarkan tahap hibridisasi orbital elektronnya. Terdapat tiga geometri asas atom karbon.

tetrahedral, dibentuk dengan mencampurkan satu s- dan tiga p-elektron (penghibridan sp 3). Atom karbon terletak di tengah tetrahedron, disambungkan oleh empat ikatan yang setara dengan karbon atau atom lain di bucu tetrahedron. Pengubahsuaian alotropik karbon berlian dan lonsdaleite sepadan dengan geometri atom karbon ini. Karbon mempamerkan penghibridan tersebut, contohnya, dalam metana dan hidrokarbon lain.
trigonal, dibentuk dengan mencampurkan satu s- dan dua orbital elektron p (penghibridan sp 2). Atom karbon mempunyai tiga ikatan setara yang terletak pada satah yang sama pada sudut 120° antara satu sama lain. Orbital p, yang tidak terlibat dalam hibridisasi dan terletak berserenjang dengan satah ikatan, digunakan untuk membentuk ikatan dengan atom lain. Geometri karbon ini adalah ciri grafit, fenol, dll.
digonal, dibentuk dengan mencampurkan satu s- dan satu p-elektron (sp-hibridisasi). Di samping itu, dua awan elektron dipanjangkan sepanjang arah yang sama dan kelihatan seperti dumbbell tidak simetri. Dua elektron p yang lain membuat -ikatan. Karbon dengan geometri atom sedemikian membentuk pengubahsuaian alotropik khas - Carbyne.

Pada tahun 2010, penyelidik Universiti Nottingham Stephen Liddle dan rakan sekerja memperoleh sebatian (monomeric dilithio methandium) di mana empat ikatan atom karbon berada dalam satah yang sama. Kemungkinan "karbon rata" sebelum ini telah diramalkan untuk bahan itu oleh Paul von Schleyer, tetapi ia tidak disintesis.

Grafit dan berlian

Pengubahsuaian alotropik karbon yang utama dan dikaji dengan baik ialah berlian dan grafit. Di bawah keadaan biasa, hanya grafit yang stabil secara termodinamik, manakala berlian dan bentuk lain adalah metastabil. Pada tekanan atmosfera dan suhu di atas 1200 K, berlian mula berubah menjadi grafit di atas 2100 K, transformasi berlaku dalam beberapa saat. peralihan H 0 - 1.898 kJ/mol. Pada tekanan normal, karbon menyublim pada 3,780 K. Karbon cecair hanya wujud pada tekanan luaran tertentu. Titik tiga kali ganda: grafit-cecair-wap T = 4130 K, R= 10.7 MPa. Peralihan langsung grafit kepada berlian berlaku pada 3000 K dan tekanan 11-12 GPa.

Pada tekanan melebihi 60 GPa, pembentukan pengubahsuaian yang sangat padat C III (ketumpatan 15-20% lebih tinggi daripada ketumpatan berlian), yang mempunyai kekonduksian logam, diandaikan. Pada tekanan tinggi dan suhu yang agak rendah (lebih kurang 1,200 K), pengubahsuaian heksagon karbon dengan kekisi kristal jenis wurtzite - lonsdaleite (a = 0.252 nm, c = 0.412 nm, kumpulan angkasa) terbentuk daripada grafit berorientasikan tinggi P6 3 /mmc), ketumpatan 3.51 g/cm, iaitu sama seperti berlian. Lonsdaleite juga terdapat dalam meteorit.

Berlian ultradisperse (nanodiamonds)

Pada tahun 1980-an Di USSR, didapati bahawa dalam keadaan pemuatan dinamik bahan yang mengandungi karbon, struktur seperti berlian, yang dipanggil berlian ultrafine (UDD), boleh terbentuk. Hari ini, istilah "nanodiamonds" semakin digunakan. Saiz zarah dalam bahan tersebut adalah beberapa nanometer. Keadaan untuk pembentukan UDD boleh direalisasikan semasa letupan letupan dengan keseimbangan oksigen negatif yang ketara, sebagai contoh, campuran TNT dengan heksogen. Keadaan sedemikian juga boleh direalisasikan semasa kesan benda angkasa di permukaan Bumi dengan kehadiran bahan yang mengandungi karbon (bahan organik, gambut, arang batu, dll.). Oleh itu, di zon jatuh meteorit Tunguska, UDA ditemui di lantai hutan.

karbin

Pengubahsuaian kristal karbon sistem heksagon dengan struktur rantai molekul dipanggil Carbyne. Rantai mempunyai sama ada struktur poliena (-CC-) atau struktur polikumulena (=C=C=). Beberapa bentuk karbin diketahui, berbeza dalam bilangan atom dalam sel unit, saiz sel dan ketumpatan (2.68-3.30 g/cm). Carbyne berlaku dalam alam semula jadi dalam bentuk chaoite mineral (urat putih dan kemasukan dalam grafit) dan diperolehi secara buatan - oleh dehydropolycondensation oksidatif asetilena, dengan tindakan sinaran laser pada grafit, dari hidrokarbon atau CCl 4 dalam plasma suhu rendah.

Carbin ialah serbuk hitam berhablur halus (ketumpatan 1.9-2 g/cm) dan mempunyai sifat semikonduktor. Diperolehi dalam keadaan buatan daripada rantai panjang atom karbon yang diletakkan selari antara satu sama lain.

Carbyne ialah polimer linear karbon. Dalam molekul karbin, atom karbon disambungkan dalam rantai secara bergantian sama ada dengan ikatan rangkap tiga dan tunggal (struktur poliena) atau secara kekal melalui ikatan berganda (struktur polikumulena). Bahan ini pertama kali diperoleh oleh ahli kimia Soviet V.V Korshak, A.M. di Institut Sebatian Organoelemen Akademi Sains USSR. Carbyne mempunyai sifat semikonduktor, dan kekonduksiannya meningkat dengan ketara apabila terdedah kepada cahaya. Aplikasi praktikal pertama adalah berdasarkan harta ini - dalam fotosel.

Fullerene dan Karbon Nanotiub

Karbon juga dikenali dalam bentuk zarah kelompok C 60, C 70, C 80, C 90, C 100 dan seumpamanya (Fullerenes), dan di samping itu graphenes, nanotubes dan struktur kompleks - astralenes.

Karbon amorfus (struktur)

Struktur karbon amorf adalah berdasarkan struktur grafit tunggal-hablur (sentiasa mengandungi kekotoran) yang tidak teratur. Ini adalah kok, arang coklat dan hitam, karbon hitam, jelaga, karbon teraktif.

Graphene

Maklumat lanjut: Graphene

Graphene ialah pengubahsuaian alotropik dua dimensi karbon, dibentuk oleh lapisan atom karbon setebal satu atom, disambungkan melalui ikatan sp ke dalam kekisi kristal dua dimensi heksagon.

Tenaga adalah industri penting yang memainkan peranan besar dalam kehidupan manusia. Keadaan tenaga di negara ini bergantung kepada kerja ramai saintis dalam industri ini. Hari ini mereka sedang mencari untuk tujuan ini, mereka bersedia untuk menggunakan apa sahaja, dari cahaya matahari dan air kepada tenaga udara. Peralatan yang boleh menjana tenaga daripada alam sekitar amat dihargai.

Maklumat am

Karbon nanotiub ialah satah grafit bergulung panjang yang mempunyai bentuk silinder. Sebagai peraturan, ketebalannya mencapai beberapa puluh nanometer, dengan panjang beberapa sentimeter. Di hujung tiub nano terbentuk kepala sfera, yang merupakan salah satu bahagian fullerene.

Terdapat dua jenis tiub nano karbon: logam dan semikonduktor. Perbezaan utama mereka ialah kekonduksian semasa. Jenis pertama boleh mengalirkan arus pada suhu yang sama dengan 0ºС, dan yang kedua - hanya pada suhu tinggi.

Karbon nanotiub: sifat

Kebanyakan bidang moden, seperti kimia gunaan atau nanoteknologi, dikaitkan dengan tiub nano, yang mempunyai struktur rangka karbon. Apa ini? Struktur ini merujuk kepada molekul besar yang disambungkan antara satu sama lain hanya oleh atom karbon. Karbon nanotube, yang sifatnya berdasarkan cangkerang tertutup, sangat dihargai. Di samping itu, pembentukan ini mempunyai bentuk silinder. Tiub sedemikian boleh diperolehi dengan menggulung lembaran grafit, atau ditanam daripada pemangkin tertentu. Karbon nanotube, gambar yang dibentangkan di bawah, mempunyai struktur yang luar biasa.

Mereka datang dalam pelbagai bentuk dan saiz: satu lapisan dan berbilang lapisan, lurus dan melengkung. Walaupun fakta bahawa nanotube kelihatan agak rapuh, ia adalah bahan yang kuat. Hasil daripada banyak kajian, didapati ia mempunyai ciri-ciri seperti regangan dan lenturan. Di bawah pengaruh beban mekanikal yang serius, unsur-unsur tidak koyak atau pecah, iaitu, mereka boleh menyesuaikan diri dengan voltan yang berbeza.

Ketoksikan

Hasil daripada pelbagai kajian, didapati bahawa karbon nanotube boleh menyebabkan masalah yang sama seperti gentian asbestos, iaitu pelbagai tumor malignan berlaku, serta kanser paru-paru. Tahap kesan negatif asbestos bergantung pada jenis dan ketebalan gentiannya. Oleh kerana tiub nano karbon adalah kecil dalam berat dan saiz, ia mudah memasuki badan manusia bersama-sama dengan udara. Seterusnya, mereka memasuki pleura dan memasuki dada, dan dari masa ke masa menyebabkan pelbagai komplikasi. Para saintis menjalankan eksperimen dan menambah zarah nanotube kepada makanan tikus. Produk berdiameter kecil praktikalnya tidak tinggal di dalam badan, tetapi yang lebih besar digali ke dalam dinding perut dan menyebabkan pelbagai penyakit.

Kaedah penerimaan

Hari ini, terdapat kaedah berikut untuk menghasilkan nanotube karbon: caj arka, ablasi, pemendapan wap.

Nyahcas arka elektrik. Mendapatkan (tiub nano karbon diterangkan dalam artikel ini) cas elektrik dalam plasma, yang terbakar menggunakan helium. Proses ini boleh dijalankan menggunakan peralatan teknikal khas untuk menghasilkan fullerene. Tetapi kaedah ini menggunakan mod pembakaran arka lain. Sebagai contoh, ia dikurangkan, dan katod dengan ketebalan yang sangat besar juga digunakan. Untuk mewujudkan suasana helium, adalah perlu untuk meningkatkan tekanan unsur kimia ini. Karbon nanotiub dihasilkan dengan sputtering. Untuk meningkatkan bilangannya, perlu memasukkan pemangkin ke dalam rod grafit. Selalunya ia adalah campuran kumpulan logam yang berbeza. Seterusnya, tekanan dan kaedah semburan berubah. Oleh itu, deposit katod diperoleh, di mana tiub nano karbon terbentuk. Produk siap tumbuh berserenjang dengan katod dan dikumpulkan ke dalam berkas. Mereka adalah 40 mikron panjang.

Ablasi. Kaedah ini dicipta oleh Richard Smalley. Intipatinya adalah untuk menyejat permukaan grafit yang berbeza dalam reaktor yang beroperasi pada suhu tinggi. Karbon nanotiub dibentuk oleh penyejatan grafit di bahagian bawah reaktor.

Mereka disejukkan dan dikumpulkan menggunakan permukaan penyejuk. Jika dalam kes pertama, bilangan elemen adalah sama dengan 60%, maka dengan kaedah ini angka itu meningkat sebanyak 10%. Kos kaedah absolasi laser lebih mahal daripada yang lain. Sebagai peraturan, nanotube berdinding tunggal diperoleh dengan menukar suhu tindak balas.

Pemendapan wap. Kaedah pemendapan wap karbon telah dicipta pada akhir 50-an. Tetapi tiada siapa yang membayangkan bahawa ia boleh digunakan untuk menghasilkan nanotube karbon. Jadi, pertama anda perlu menyediakan permukaan dengan pemangkin. Ia boleh menjadi zarah kecil pelbagai logam, contohnya, kobalt, nikel dan banyak lagi. Nanotiub mula muncul dari lapisan mangkin. Ketebalannya secara langsung bergantung pada saiz logam pemangkin. Permukaan dipanaskan pada suhu tinggi, dan kemudian gas yang mengandungi karbon dibekalkan. Antaranya ialah metana, asetilena, etanol, dll. Ammonia berfungsi sebagai gas teknikal tambahan. Kaedah menghasilkan nanotube ini adalah yang paling biasa. Proses itu sendiri berlaku di pelbagai perusahaan perindustrian, yang menyebabkan kurang sumber kewangan dibelanjakan untuk menghasilkan sejumlah besar tiub. Satu lagi kelebihan kaedah ini ialah unsur menegak boleh diperolehi daripada mana-mana zarah logam yang berfungsi sebagai pemangkin. Pengeluaran (karbon nanotiub diterangkan dari semua pihak) dimungkinkan berkat penyelidikan Suomi Iijima, yang memerhatikan penampilan mereka di bawah mikroskop hasil daripada sintesis karbon.

Jenis utama

Unsur karbon dikelaskan mengikut bilangan lapisan. Jenis yang paling mudah ialah nanotube karbon berdinding tunggal. Setiap daripada mereka adalah kira-kira 1 nm tebal, dan panjangnya boleh menjadi lebih besar. Jika kita mempertimbangkan strukturnya, produk itu kelihatan seperti membungkus grafit menggunakan jaringan heksagon. Pada bucunya terdapat atom karbon. Oleh itu, tiub mempunyai bentuk silinder, yang tidak mempunyai jahitan. Bahagian atas peranti ditutup dengan penutup yang terdiri daripada molekul fullerene.

Jenis seterusnya ialah nanotube karbon berbilang dinding. Ia terdiri daripada beberapa lapisan grafit, yang dilipat menjadi bentuk silinder. Jarak 0.34 nm dikekalkan di antara mereka. Jenis struktur ini diterangkan dalam dua cara. Menurut yang pertama, tiub berbilang lapisan ialah beberapa tiub satu lapisan yang bersarang di dalam satu sama lain, yang kelihatan seperti anak patung bersarang. Menurut yang kedua, tiub nano bertembok berbilang adalah kepingan grafit yang membalut dirinya beberapa kali, sama seperti surat khabar yang dilipat.

Karbon nanotube: aplikasi

Unsur-unsur tersebut merupakan wakil yang benar-benar baharu bagi kelas bahan nano.

Seperti yang dinyatakan sebelum ini, mereka mempunyai struktur bingkai, yang berbeza dalam sifat dari grafit atau berlian. Itulah sebabnya ia digunakan lebih kerap daripada bahan lain.

Oleh kerana ciri-ciri seperti kekuatan, lenturan, kekonduksian, ia digunakan dalam banyak bidang:

sebagai bahan tambahan kepada polimer;
pemangkin untuk peranti pencahayaan, serta paparan panel rata dan tiub dalam rangkaian telekomunikasi;
sebagai penyerap gelombang elektromagnet;
untuk penukaran tenaga;
pengeluaran anod dalam pelbagai jenis bateri;
penyimpanan hidrogen;
pembuatan penderia dan kapasitor;
penghasilan komposit dan mengukuhkan struktur dan sifatnya.

Selama bertahun-tahun, nanotube karbon, yang aplikasinya tidak terhad kepada satu industri tertentu, telah digunakan dalam penyelidikan saintifik. Bahan ini mempunyai kedudukan yang lemah di pasaran, kerana terdapat masalah dengan pengeluaran berskala besar. Satu lagi perkara penting ialah kos tinggi tiub nano karbon, iaitu kira-kira $120 setiap gram bahan tersebut.

Ia digunakan sebagai elemen asas dalam pengeluaran banyak komposit, yang digunakan untuk membuat banyak barangan sukan. Industri lain ialah industri automotif. Kefungsian tiub nano karbon di kawasan ini adalah untuk menyampaikan sifat konduktif kepada polimer.

Pekali kekonduksian terma tiub nano agak tinggi, jadi ia boleh digunakan sebagai peranti penyejukan untuk pelbagai peralatan besar-besaran. Ia juga digunakan untuk membuat petua yang dilekatkan pada tiub probe.

Bidang aplikasi yang paling penting ialah teknologi komputer. Terima kasih kepada tiub nano, terutamanya paparan rata dicipta. Menggunakannya, anda boleh mengurangkan dengan ketara dimensi keseluruhan komputer itu sendiri, serta meningkatkan prestasi teknikalnya. Peralatan siap akan menjadi beberapa kali lebih baik daripada teknologi semasa. Berdasarkan kajian ini, tiub gambar voltan tinggi boleh dibuat.

Dari masa ke masa, tiub akan digunakan bukan sahaja dalam elektronik, tetapi juga dalam bidang perubatan dan tenaga.

Pengeluaran

Tiub karbon, pengeluarannya dibahagikan antara dua jenis, diagihkan secara tidak sekata.

Iaitu, MWNT dihasilkan lebih banyak daripada SWNT. Jenis kedua dilakukan sekiranya ada keperluan mendesak. Pelbagai syarikat sentiasa menghasilkan tiub nano karbon. Tetapi mereka boleh dikatakan tidak dalam permintaan, kerana kosnya terlalu tinggi.

Pemimpin pengeluaran

Hari ini, tempat utama dalam pengeluaran tiub nano karbon diduduki oleh negara-negara Asia, yang 3 kali lebih tinggi daripada di negara-negara lain di Eropah dan Amerika. Khususnya, Jepun terlibat dalam pengeluaran MWNT. Tetapi negara lain, seperti Korea dan China, sama sekali tidak kalah dalam penunjuk ini.

Pengeluaran di Rusia

Pengeluaran domestik tiub nano karbon jauh ketinggalan berbanding negara lain. Sebenarnya, semuanya bergantung kepada kualiti penyelidikan yang dijalankan di kawasan ini. Tiada sumber kewangan yang mencukupi diperuntukkan di sini untuk mewujudkan pusat sains dan teknologi di negara ini. Ramai orang tidak menerima perkembangan dalam nanoteknologi kerana mereka tidak tahu bagaimana ia boleh digunakan dalam industri. Oleh itu, peralihan ekonomi ke laluan baru agak sukar.

Oleh itu, Presiden Rusia mengeluarkan dekri yang menunjukkan laluan pembangunan untuk pelbagai bidang nanoteknologi, termasuk unsur karbon. Untuk tujuan ini, program pembangunan dan teknologi khas telah diwujudkan.

Untuk memastikan bahawa semua titik pesanan telah dijalankan, syarikat Rusnanotech telah diwujudkan. Sejumlah besar daripada belanjawan negeri telah diperuntukkan untuk operasinya. Dialah yang harus mengawal proses pembangunan, pengeluaran dan pelaksanaan industri tiub nano karbon. Jumlah yang diperuntukkan akan dibelanjakan untuk mewujudkan pelbagai institut penyelidikan dan makmal, dan juga akan mengukuhkan kerja sedia ada saintis tempatan. Dana ini juga akan digunakan untuk membeli peralatan berkualiti tinggi untuk pengeluaran tiub nano karbon. Ia juga bernilai menjaga peranti yang akan melindungi kesihatan manusia, kerana bahan ini menyebabkan banyak penyakit.

Seperti yang dinyatakan sebelum ini, keseluruhan masalah ialah mengumpul dana. Kebanyakan pelabur tidak mahu melabur dalam perkembangan saintifik, terutamanya untuk masa yang lama. Semua ahli perniagaan mahu melihat keuntungan, tetapi pembangunan nano boleh mengambil masa bertahun-tahun. Inilah yang menolak wakil perniagaan kecil dan sederhana. Di samping itu, tanpa pelaburan kerajaan tidak mungkin untuk melancarkan sepenuhnya pengeluaran bahan nano.

Masalah lain ialah kekurangan rangka kerja undang-undang, kerana tiada hubungan perantaraan antara peringkat perniagaan yang berbeza. Oleh itu, nanotube karbon, pengeluaran yang tidak dalam permintaan di Rusia, memerlukan bukan sahaja kewangan, tetapi juga pelaburan mental. Setakat ini, Persekutuan Rusia jauh dari negara-negara Asia yang memimpin dalam pembangunan nanoteknologi.

Hari ini, perkembangan dalam industri ini dijalankan di fakulti kimia pelbagai universiti di Moscow, Tambov, St. Petersburg, Novosibirsk dan Kazan. Pengeluar utama tiub nano karbon ialah syarikat Granat dan kilang Tambov Komsomolets.

Sisi positif dan negatif

Antara kelebihannya ialah ciri khas tiub nano karbon. Mereka adalah bahan tahan lama yang tidak runtuh di bawah tekanan mekanikal. Di samping itu, mereka berfungsi dengan baik dalam lenturan dan regangan. Ini dimungkinkan berkat struktur bingkai tertutup. Penggunaannya tidak terhad kepada satu industri. Tiub telah menemui aplikasi dalam industri automotif, elektronik, perubatan dan tenaga.

Kelemahan yang besar ialah kesan negatif terhadap kesihatan manusia.

Zarah nanotube memasuki tubuh manusia membawa kepada berlakunya tumor ganas dan kanser.

Aspek penting ialah pembiayaan industri ini. Ramai orang tidak mahu melabur dalam bidang sains kerana memerlukan banyak masa untuk mengaut keuntungan. Dan tanpa fungsi makmal penyelidikan, pembangunan nanoteknologi adalah mustahil.

Kesimpulan

Karbon nanotube memainkan peranan penting dalam teknologi inovatif. Ramai pakar meramalkan pertumbuhan industri ini pada tahun-tahun akan datang. Akan ada peningkatan ketara dalam keupayaan pengeluaran, yang akan membawa kepada penurunan kos barang. Dengan penurunan harga, tiub akan mendapat permintaan yang tinggi dan akan menjadi bahan yang sangat diperlukan untuk banyak peranti dan peralatan.

Jadi, kami mengetahui apakah produk ini.

Seperti yang diketahui, karbon nanotube (CNT), kerana sifat fizikokimia yang luar biasa, sangat menjanjikan untuk pelbagai aplikasi. Bahan baru ini telah membuktikan keberkesanannya sebagai sumber pelepasan elektron sejuk, sebagai asas untuk bahan baru dengan ciri mekanikal yang lebih baik, sebagai sorben untuk bahan gas dan cecair, dsb.

Walau bagaimanapun, setakat ini bahan dan peranti baharu berasaskan CNT belum digunakan secara meluas, yang dikaitkan dengan kos tinggi dan produktiviti rendah kaedah sedia ada untuk menghasilkan CNT dalam kuantiti makroskopik. Kaedah ini, berdasarkan prosedur permukaan penyejatan terma grafit atau pemendapan wap sebatian yang mengandungi karbon pada permukaan mangkin logam, dicirikan oleh produktiviti terhad, yang berkadar dengan luas permukaan aktif.

Peningkatan ketara dalam produktiviti sintesis CNT boleh dicapai dengan menukar kepada sintesis pukal. Dalam kes ini, produktiviti proses sintesis adalah berkadar bukan dengan permukaan, tetapi dengan isipadu ruang tindak balas dan boleh melebihi ciri nilai kaedah tradisional sintesis CNT. Peralihan seperti itu baru-baru ini dilakukan oleh sekumpulan pekerja di salah sebuah universiti Kanada (Université de Sherbrooke), yang menggunakan plasma terma plasmatron frekuensi tinggi untuk menghasilkan CNT dalam kuantiti makroskopik daripada karbon yang tersebar halus.

Skim pemasangan untuk menghasilkan CNT daripada karbon tersebar halus dalam plasma

Pemasangan ialah obor plasma jenis aruhan yang dihasilkan secara komersial, dikuasakan oleh sumber arus ulang-alik 60 kW yang beroperasi pada frekuensi 3 MHz. Plasmatron termasuk: ruang plasma dengan diameter dalaman 5 cm, reaktor 50 cm panjang dan diameter dalaman 15 cm, ruang penyejukan pantas yang terdiri daripada dua segmen silinder berdinding dua 20 dan 30 cm panjang dan diameter dalam 15 sm.

Tiga aliran gas bebas dibekalkan ke kawasan obor plasma - serbuk paksi, persisian dan pembawa. Aliran pertama diberikan gerakan putaran, memastikan penstabilan obor plasma, dan yang kedua, laminar, berfungsi untuk melindungi dinding reaktor daripada gas panas. Sistem penapisan yang berfungsi untuk mengasingkan bahan yang mengandungi CNT daripada komponen meruap mempunyai tiga elemen penapis dengan diameter 6 cm dan panjang 85 cm berasaskan seramik berliang dengan diameter liang 2.8 mikron.

Ni zarah saiz< 1 мкм, Co размером < 2 мкм, CeO 2 и Y 2 O 3 , подмешиваемые в различных пропорциях при суммарной концентрации на уровне порядка 1 ат % к мелкодисперсному графиту. В качестве буферного газа использовали смесь He-Ar различного состава при полном давлении около 500 Торр. Порошок подавали в плазму со скоростями 1,2 – 2 г/мин. Каждый эксперимент продолжался 20 мин., хотя система допускала непрерывную эксплуатацию в течение 9 часов. В экспериментах использовали 3 типа углеродного порошка различной степени измельченности с размером частиц 75, 45 и 16 нм.

Kajian yang dilakukan menggunakan termogravimetri dan spektroskopi Raman telah menunjukkan bahawa, dalam keadaan optimum, produktiviti sintesis serbuk yang mengandungi sehingga 40% CNT berdinding tunggal mencapai 100 g/jam. Dalam kes ini, keadaan optimum sepadan dengan helium tulen, zarah karbon dengan saiz 75 nm dan kadar suapan 1.5-2 g/min. Penunjuk ini jauh melebihi keputusan yang dicapai menggunakan kaedah arka elektrik dan laser sintesis CNT, manakala kualiti tiub nano hanya sedikit lebih rendah daripada yang disintesis oleh kaedah laser. Perlu diingatkan bahawa karbon tersebar halus jauh lebih murah daripada grafit kristal, jadi nanotube yang diperolehi dalam plasma daripada serbuk jauh lebih murah.