Nanotubes za kaboni: uzalishaji, matumizi, mali. Sifa za kielektroniki za nanotube za kaboni zilizobadilishwa

Uvumbuzi huo unahusiana na teknolojia ya nanomaterials za kaboni, haswa kwa teknolojia ya kutengeneza nanotube za kaboni zilizobadilishwa.

Nanotubes za kaboni (CNTs) huwa na kuunda agglomerati, na kuifanya kuwa vigumu kusambaza katika vyombo vya habari tofauti. Hata kama CNTs zinasambazwa sawasawa katika sehemu fulani ya kati, kwa mfano, kwa uchunguzi mkali wa ultrasound, baada ya muda mfupi wao huunda agglomerati moja kwa moja. Ili kupata utawanyiko thabiti wa CNT, njia anuwai za kurekebisha CNT hutumiwa, ambazo hufanywa kwa kushikamana na vikundi fulani vya kazi kwenye uso wa CNT, kuhakikisha utangamano wa CNT na mazingira, kwa kutumia viboreshaji, na kufupisha CNT ndefu kwa kutumia anuwai. mbinu.

Katika maelezo ya uvumbuzi huu, neno "marekebisho" linamaanisha mabadiliko katika asili ya uso wa CNT na vigezo vya kijiometri vya nanotubes binafsi. Kesi maalum ya urekebishaji ni utendakazi wa CNTs, ambayo inajumuisha kuunganisha vikundi fulani vya kazi kwenye uso wa CNT.

Kuna njia inayojulikana ya kurekebisha CNTs, ambayo inahusisha oxidation ya CNTs chini ya ushawishi wa mawakala mbalimbali ya oksidi ya kioevu au gesi (asidi ya nitriki kwa namna ya kioevu au mvuke, peroxide ya hidrojeni, ufumbuzi wa persulfate ya ammoniamu katika pH tofauti, ozoni, nitrojeni. dioksidi na wengine). Kuna machapisho mengi juu ya njia hii. Walakini, kwa kuwa kiini cha njia mbali mbali za uoksidishaji wa nanotubes za kaboni ni sawa, ambayo ni, uoksidishaji wa uso wa nanotubes za kaboni na uundaji wa vikundi vya uso wa hidroksili na kaboksili, hii inatoa sababu ya kuzingatia njia anuwai zinazoelezewa kama lahaja za moja. njia. Mfano wa kawaida ni uchapishaji wa Datsyuk V., Kalyva M., Papagelis K., Parthenios J., Tasis D., Siokou A., Kallitsis I., Galiotis C. Oxidation ya kemikali ya nanotubes za kaboni nyingi //Carbon, 2008, vol.46, p.833-840, ambayo inaelezea chaguzi kadhaa (kwa kutumia asidi ya nitriki, peroxide ya hidrojeni na persulfate ya ammoniamu).

Vipengele muhimu vya kawaida vya njia inayozingatiwa na uvumbuzi unaodaiwa ni matibabu ya nanotubes za kaboni na suluhisho la wakala wa vioksidishaji.

Njia inayozingatiwa ina sifa ya kutotosha kwa ufanisi wa kugawanya agglomerati za CNT na kufikia utawanyiko mzuri wa CNT zilizooksidishwa katika maji na vimumunyisho vya kikaboni vya polar. Kama sheria, nanotubes za kaboni zilizooksidishwa kwa njia zinazojulikana hutawanywa vizuri katika maji na vimumunyisho vya kikaboni vya polar (chini ya ushawishi wa ultrasound) tu kwa mkusanyiko wa chini sana wa nanotubes kwenye kioevu (kawaida kwa utaratibu wa 0.001-0.05% kwa uzito) . Wakati mkusanyiko wa kizingiti umezidi, nanotubes hukusanyika katika agglomerati kubwa (flakes), ambayo hupanda.

Katika idadi ya kazi, kwa mfano, Wang Y., Deng W., Liu X., Wang X. Sifa za uhifadhi wa hidrojeni ya elektrokemikali ya nanotubes za kaboni za ukuta-milled nyingi //Jarida la kimataifa la nishati ya hidrojeni, 2009, vol.34 , ukurasa wa 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. Short carbon nanotubes zinazozalishwa na kusagwa cryogenic //Carbon, 2006, vol.44, p.2984-2989; Konya Z., Zhu J., Niesz K., Mehn D., Kiricsi I. Maliza mofolojia ya nanotubes za kaboni zilizosagwa //Carbon, 2004, juzuu ya 42, uk.2001-2008, inaeleza mbinu ya kurekebisha CNT kwa kufupisha. yao, ambayo hupatikana kwa usindikaji wa muda mrefu wa mitambo ya CNTs katika vinywaji au matrices waliohifadhiwa. CNT zilizofupishwa zina utawanyiko bora katika vimiminiko na sifa bora za kielektroniki.

Vipengele muhimu vya kawaida vya mbinu zinazozingatiwa na zilizopendekezwa ni usindikaji wa mitambo ya CNTs kutawanywa kwa njia yoyote.

Ubaya wa njia inayozingatiwa ni kwamba haitoi utendakazi wa CNTs na vikundi vya polar, kwa sababu ambayo CNTs zilizotibiwa kwa njia hii bado hazijatawanywa vizuri kwenye media ya polar.

Iliyo karibu zaidi na uvumbuzi unaodaiwa ni njia iliyoelezwa katika kazi ya Chiang Y.-C., Lin W.-H., Chang Y.-C. Ushawishi wa muda wa matibabu kwenye nanotubes za kaboni zenye kuta nyingi zinazofanya kazi na uoksidishaji wa H2SO4/HNO3 //Applied Surface Science, 2011, vol.257, p.2401-2410 (mfano). Kwa mujibu wa njia hii, marekebisho ya CNTs hupatikana kwa oxidation yao ya kina wakati wa kuchemsha kwa muda mrefu katika suluhisho la maji yenye asidi ya sulfuriki na nitriki. Katika kesi hii, kwanza, vikundi vya kazi vya polar (haswa, vikundi vya carboxyl) vinapandikizwa kwenye uso wa CNT, na kwa muda wa kutosha wa matibabu, ufupishaji wa nanotubes hupatikana. Wakati huo huo, kupungua kwa unene wa nanotubes pia kulionekana kutokana na oxidation kamili ya tabaka za kaboni za uso kwa dioksidi kaboni. Lahaja za njia hii zimeelezewa katika vyanzo vingine, kwa mfano katika nakala iliyotajwa na Datsyuk V., Kalyva M. et al., pamoja na Ziegler K.J., Gu Z., Peng H., Flor E.L., Hauge R.H., Smalley R.E. Ukataji wa vioksidishaji unaodhibitiwa wa nanotubes za kaboni zenye ukuta mmoja //Journal of American Chemical Society, 2005, vol.127, toleo la 5, uk.1541-1547. Vyanzo vilivyochapishwa vinaonyesha kuwa nanotubes za kaboni iliyooksidishwa zilizofupishwa zina uwezo ulioongezeka wa kutawanya katika maji na vimumunyisho vya kikaboni vya polar.

Kipengele muhimu cha kawaida cha njia iliyopendekezwa na njia ya mfano ni matibabu ya CNTs na ufumbuzi wa maji wa wakala wa oxidizing. Njia ya uvumbuzi na njia ya mfano pia inafanana katika matokeo yaliyopatikana, yaani, kuunganisha kwa vikundi vya kazi vya polar kwenye uso wa CNTs kunapatikana wakati huo huo na kufupishwa kwa CNTs ndefu.

Ubaya wa njia ya mfano ni hitaji la kutumia ziada kubwa ya asidi, ambayo huongeza gharama ya mchakato na kuunda shida za mazingira wakati wa utupaji wa taka, na vile vile oxidation ya sehemu ya nanotubes ya kaboni hadi dioksidi kaboni, ambayo inapunguza upotezaji wa mafuta. mavuno ya bidhaa ya mwisho (nanotubes za kaboni iliyorekebishwa) na kuifanya kuwa ghali zaidi. Kwa kuongeza, njia hii ni vigumu kupima. Katika hali ya maabara, vyombo vya kioo vinaweza kutumika, lakini kwa ajili ya uzalishaji wa majaribio, vifaa vya chuma cha pua ni vyema. Kuchemsha nanotubes katika ufumbuzi wa asidi hujenga tatizo la upinzani wa kutu wa vifaa.

Msingi wa uvumbuzi unaodaiwa ni kazi ya kuondoa hasara za njia inayojulikana kwa kuchagua reagent ya oxidizing na hali ya oxidation.

Shida inatatuliwa na ukweli kwamba kulingana na njia ya kurekebisha nanotubes za kaboni, ambayo ni pamoja na kutibu nanotubes za kaboni na suluhisho la maji ya wakala wa oksidi, matibabu ya nanotubes ya kaboni na suluhisho la maji la wakala wa oksidi hufanywa wakati huo huo na mitambo. matibabu, na suluhisho la sulfate au hypochlorite katika pH ya zaidi ya 10 hutumiwa kama wakala wa oksidi.

Usindikaji wa mitambo unafanywa kwa kutumia kinu cha shanga.

Wakala wa vioksidishaji huchukuliwa kwa kiasi sawa na 0.1 hadi 1 g ya atomi ya oksijeni hai kwa g 1 ya atomi ya kaboni ya nanotubes.

Hypochlorite ya ziada katika mchanganyiko wa mmenyuko katika pH zaidi ya 10 huondolewa kwa kuongeza peroxide ya hidrojeni.

Kufanya matibabu ya nanotubes ya kaboni na suluhisho la maji la wakala wa oksidi wakati huo huo na matibabu ya mitambo na utumiaji wa suluhisho la persulfate au hypochlorite kama wakala wa oksidi kwa pH ya zaidi ya 10 huondoa hitaji la kutumia ziada kubwa ya asidi; ambayo huongeza gharama ya mchakato na hujenga matatizo ya mazingira wakati wa utupaji wa taka, pamoja na kupoteza bidhaa ya kumaliza kutokana na oxidation ya sehemu ya kaboni ya nanotubes kwa dioksidi kaboni.

Kwa usindikaji wa mitambo, vifaa vinavyojulikana katika sanaa vinaweza kutumika, kama vile kinu ya shanga, kinu cha vibration, kinu ya mpira na vifaa vingine sawa. Kwa kweli, kinu cha shanga ni moja ya vifaa vinavyofaa zaidi vya kutatua kazi hiyo.

Persulfate ya ammoniamu, sulfate ya sodiamu, potasiamu persulfate, hypochlorite ya sodiamu, hypochlorite ya potasiamu inaweza kutumika kama mawakala wa vioksidishaji. Njia iliyodaiwa kwa ufanisi zaidi inafanywa wakati wa kutibu nanotubes za kaboni na ufumbuzi wa wakala wa oksidi kwa pH ya zaidi ya 10. Katika pH ya chini, kutu ya vifaa na mtengano usiofaa wa wakala wa oxidizing na kutolewa kwa klorini (kutoka hypochlorite) au oksijeni (kutoka persulfate) inawezekana. Thamani ya pH inayohitajika inaweza kuwekwa kwa kuongeza vitu vinavyojulikana ambavyo vina mmenyuko wa alkali kwa suluhisho, kwa mfano, amonia, carbonate ya sodiamu, carbonate ya potasiamu, hidroksidi ya sodiamu, hidroksidi ya potasiamu, na vitu vingine vya alkali ambavyo havifanyiki na wakala wa oksidi chini. hali ya usindikaji. Katika kesi hiyo, mtu anapaswa kuzingatia data inayojulikana ambayo hypochlorite humenyuka na amonia. Kwa hiyo, amonia haiwezi kutumika katika mfumo wa hypochlorite. Wakati wa kutumia persulfate kuanzisha pH ya alkali, vitu vyote vilivyoorodheshwa vinaweza kutumika.

Ili kutekeleza mbinu iliyopendekezwa, kiasi kamili cha wakala wa vioksidishaji ni sawa na 0.1 hadi 1 g atomi ya oksijeni hai kwa g 1 ya atomi ya kaboni ya nanotubes. Wakati kiasi cha wakala wa vioksidishaji ni chini ya kikomo cha chini kilichotajwa, nanotubes za kaboni zilizobadilishwa hutawanywa vizuri katika maji na vimumunyisho vya kikaboni vya polar. Kuzidisha kiasi cha wakala wa vioksidishaji zaidi ya kikomo cha juu kilichotajwa haiwezekani, kwa sababu, ingawa huharakisha mchakato wa oxidation wa nanotubes, haiboresha athari ya manufaa.

Ili kutekeleza njia iliyopendekezwa, vifaa vya kuanzia na vifaa vifuatavyo vilitumiwa:

Nanotube za kaboni za chapa za Taunit na Taunit-M zinazozalishwa na NanoTechCenter LLC, Tambov.

Ammonium sulfate, daraja la uchambuzi.

Hypochlorite ya sodiamu kulingana na GOST 11086-76 kwa namna ya suluhisho la maji yenye 190 g / l klorini hai na 12 g / l hidroksidi ya sodiamu ya bure.

Amonia yenye maji 25% ya daraja la uchambuzi.

Kabonati ya sodiamu isiyo na maji, daraja la uchambuzi.

Maji yaliyosafishwa.

Dimethylacetamide, daraja la uchambuzi.

Pombe ya ethyl 96%.

Kinu cha shanga mlalo MShPM-1/0.05-VK-04 kinachozalishwa na NPO DISPOD. Mipira ya dioksidi ya zirconium yenye kipenyo cha mm 1.6 ilitumiwa kama vyombo vya habari vya kusaga.

Ufungaji wa ultrasonic IL-10.

1460 ml ya maji yaliyotengenezwa yalimwagika kwenye chombo cha chuma cha lita 4 na 228.4 g ya persulfate ya ammoniamu ilifutwa, baada ya hapo 460 ml ya 25% ya amonia iliongezwa. 1099 g ya kuweka yenye maji ya Taunit-M carbon nanotubes (iliyotakaswa kutoka kwa uchafu wa madini kwa matibabu na asidi hidrokloric), yenye 5.46% ya dutu kavu, iliongezwa kwenye suluhisho hili na kuchanganywa kabisa hadi kusimamishwa kwa homogeneous kuundwa. Kusimamishwa kwa matokeo kulipakiwa kwenye kinu cha shanga na shanga za dioksidi ya zirconium yenye kipenyo cha 1.6 mm na kusindika kwa saa 7. Kisha kusimamishwa kwa kutibiwa kulipakuliwa, kuchujwa kutoka kwa shanga, acidified na asidi hidrokloriki kwa mmenyuko wa tindikali, kuchujwa kupitia chujio kilichofanywa kwa nyenzo zisizo za kusuka za polypropen na kuosha kwa maji mpaka maji ya safisha yasiwe na neutral. Mashapo yaliyooshwa yalifyonzwa kwenye utupu na kufungwa kwenye chombo cha plastiki kilichofungwa. Maudhui ya molekuli ya dutu kavu (nanotubes) katika kuweka iliyosababishwa ilikuwa 8.52% (iliyobaki ni maji). Bidhaa iliyosababishwa ilikaushwa katika tanuri saa 80 ° C kwa uzito wa mara kwa mara.

Ili kupima umumunyifu (mtawanyiko), sampuli ya CNTM-1 ilitawanywa katika maji au vimumunyisho vya kikaboni kwa kutumia matibabu ya ultrasound. Majaribio yameonyesha kuwa CNT-1 ni mumunyifu sana katika maji, ikiwezekana katika pH ya msingi (iliyoundwa kwa kuongeza amonia au besi za kikaboni). Kuongezewa kwa msingi kunakuza uundaji wa suluhisho thabiti (utawanyiko) wa nanotubes zilizobadilishwa, kwani husababisha ionization ya vikundi vya carboxyl ya uso na kuonekana kwa malipo hasi kwenye nanotubes.

Kwa hivyo, suluhisho thabiti la maji lilipatikana (kama inavyoweza kuonekana kutoka kwa uwazi wa suluhisho na kutokuwepo kwa flakes) iliyo na 0.5% CNTM-1 mbele ya 0.5% ya triethanolamine kama kidhibiti cha pH. Kikomo cha umumunyifu wa CNTM-1 katika mfumo huu ni takriban 1% wakati mkusanyiko huu unazidi, inclusions za gel zinaonekana.

Katika dimethylacetamide (bila viongeza vya kigeni), suluhisho thabiti za uwazi za CNTM-1 zilizo na viwango vya 1 na 2% zilipatikana kwa matibabu ya ultrasonic. Katika kesi hiyo, dimethylacetamide, ambayo yenyewe ni msingi dhaifu, hupunguza CNTM-1 kwa ufanisi bila kuongeza wasimamizi wa pH wa nje. Suluhisho la 1% lilikuwa imara kwa muda usiojulikana wakati wa kuhifadhi, lakini baada ya siku chache ufumbuzi wa 2% ulianza kuonyesha ishara za thixotropy, lakini bila kuundwa kwa agglomerates.

Mimina lita 2.7 za maji yaliyotengenezwa kwenye chombo cha chuma cha lita 4, ongeza 397.5 g ya carbonate ya sodiamu isiyo na maji na koroga hadi kufutwa kabisa. Baada ya kufuta carbonate ya sodiamu, suluhisho la hypochlorite ya sodiamu (0.280 l) ilimimina ndani na mchanganyiko ulichanganywa kabisa. Kisha, hatua kwa hatua, kwa kuchochea, 60 g ya Taunit-M ghafi (iliyo na takriban 3% kwa uzito wa uchafu wa kichocheo, hasa oksidi ya magnesiamu) iliongezwa na kuchochewa hadi kusimamishwa kwa usawa. Uahirishaji huu ulipakiwa kwenye kinu cha shanga chenye kipenyo cha 1.6 mm shanga za zirconia na kusindika kwa saa 7. Kisha kusimamishwa kwa kutibiwa kulipakuliwa, kuchujwa kutoka kwa shanga, acidified na asidi hidrokloriki kwa mmenyuko wa tindikali na kuwekwa kwa siku 3 kwa joto la kawaida ili kufuta kabisa mabaki ya kichocheo na uchafu unaowezekana wa misombo ya chuma (kutoka kwa mwili na vidole vya kinu ya shanga) . Kwa hivyo, nanotubes zilisafishwa kwa wakati mmoja asidi kutoka kwa uchafu wa kichocheo. Kusimamishwa kwa tindikali iliyosababishwa ilichujwa kupitia chujio kilichofanywa kwa nyenzo zisizo za kusuka za polypropen na kuosha na maji mpaka maji ya safisha yasiwe na neutral. Sediment iliyooshwa ilifyonzwa kwenye utupu na kuingizwa kwenye chombo cha plastiki kilichofungwa. Maudhui ya molekuli ya dutu kavu (nanotubes) katika kuweka iliyosababishwa ilikuwa 7.33% (iliyobaki ni maji). Bidhaa iliyosababishwa ilikaushwa katika tanuri saa 80 ° C kwa uzito wa mara kwa mara.

Ikiwa kiasi cha hypochlorite katika mchanganyiko wa mmenyuko na nanotubes ni nyingi, hii huharakisha oxidation ya uso wa nanotubes, lakini hujenga tatizo la mazingira kwa sababu wakati mchanganyiko umetiwa asidi, hypochlorite isiyosababishwa hutoa klorini, kulingana na equation ya majibu:

2NaOCl+2НCl→2NaCl+Н 2 O+Сl 2

Ili kupunguza hipokloriti iliyozidi, peroksidi ya hidrojeni huongezwa kwenye mchanganyiko wa mmenyuko kwa pH zaidi ya 10. Kama tulivyogundua, majibu yafuatayo hutokea:

NaOCl+H 2 O 2 →NaCl+H 2 O+O 2

Matokeo yake, bidhaa zisizo na madhara zinaundwa.

Ili kupima umumunyifu (mtawanyiko), sampuli ya CNTM-1 ilitawanywa katika maji au vimumunyisho vya kikaboni kwa kutumia matibabu ya ultrasound. Majaribio yameonyesha kuwa CNTM-1 ni mumunyifu sana katika maji, ikiwezekana katika pH ya msingi (iliyoundwa kwa kuongeza amonia au triethanolamine). Kuongezewa kwa msingi kunakuza uundaji wa suluhisho thabiti (utawanyiko) wa nanotubes zilizobadilishwa, kwani husababisha ionization ya vikundi vya carboxyl ya uso na kuonekana kwa malipo hasi kwenye nanotubes.

Katika dimethylacetamide (bila viongeza vya kigeni), suluhisho thabiti za uwazi za CNTM-1 zilizo na viwango vya 1 na 2% zilipatikana kwa matibabu ya ultrasonic. Katika kesi hiyo, dimethylacetamide, ambayo yenyewe ni msingi, kwa ufanisi kufuta CNTM-1 bila ya kuongeza wasimamizi wa pH ya nje ya 1% ilikuwa imara wakati wa kuhifadhi, wakati ufumbuzi wa 2% ulianza kuonyesha dalili za thixotropy baada ya siku chache; , lakini bila agglomerati za malezi.

Kwa kulinganisha, umumunyifu ulisomwa (chini ya ushawishi wa ultrasound chini ya hali sawa) katika vimumunyisho sawa vya Taunit-M carbon nanotubes, iliyooksidishwa kulingana na utaratibu uliotolewa kwa njia ya mfano, na mchanganyiko wa asidi ya nitriki na sulfuriki bila mitambo. matibabu. Majaribio yameonyesha kuwa CNT zilizooksidishwa kwa asidi ya nitriki ya ziada bila matibabu ya kiufundi zina umumunyifu sawa na zile zilizopatikana kulingana na uvumbuzi unaodaiwa. Hata hivyo, njia iliyopendekezwa ni rahisi kwa kiwango, hakuna matatizo na upinzani wa kutu wa vifaa na matatizo ya mazingira na neutralization ya taka. Mchakato wa matibabu ya mechanochemical kulingana na njia iliyodaiwa hutokea kwa joto la kawaida. Njia ya mfano inahitaji matumizi ya ziada kubwa ya asidi ya nitriki na sulfuriki ambayo inaongeza na kuhakikisha usalama wa mazingira ni shida sana.

Data iliyowasilishwa inathibitisha ufanisi wa mbinu iliyopendekezwa ya kutengeneza CNT zilizorekebishwa. Katika kesi hii, suluhisho za asidi ya fujo hazitumiwi, kama ilivyo kwa njia ya mfano, na upotezaji wa kaboni kutoka kwa nanotubes kwa sababu ya oxidation hadi kaboni dioksidi (carbonate katika suluhisho la alkali) haipo kabisa.

Kwa hivyo, njia iliyopendekezwa inafanya uwezekano wa kupata nanotubes za kaboni zilizobadilishwa ambazo zina utawanyiko mzuri katika maji na vimumunyisho vya kikaboni vya polar, vinaweza kuongezwa kwa urahisi, na kuhakikisha uzalishaji wa kirafiki wa mazingira.

1. Njia ya kurekebisha nanotubes za kaboni, ikiwa ni pamoja na kutibu nanotubes za kaboni na ufumbuzi wa maji wa wakala wa oksidi, unaojulikana kwa kuwa matibabu ya nanotubes ya kaboni na ufumbuzi wa maji ya wakala wa oxidizing hufanyika wakati huo huo na matibabu ya mitambo, na ufumbuzi wa persulfate au hypochlorite hutumiwa kama wakala wa vioksidishaji katika pH zaidi ya 10, na wakala wa vioksidishaji huchukuliwa kwa kiasi, sawa na 0.1 hadi 1 g-atomu ya oksijeni hai kwa kila g-atomu 1 ya nanotubes ya kaboni.

2. Njia kulingana na madai 1, yenye sifa ya usindikaji huo wa mitambo unafanywa kwa kutumia kinu cha shanga.

3. Njia kulingana na dai 1, inayojulikana kwa hipokloriti hiyo ya ziada katika mchanganyiko wa majibu katika pH zaidi ya 10 huondolewa kwa kuongeza peroxide ya hidrojeni.

Hati miliki zinazofanana:

Uvumbuzi huo unahusiana na nyenzo zenye mchanganyiko wa kaboni. Nyenzo ya mchanganyiko wa kaboni ya vinyweleo huundwa kutoka kwa (A) nyenzo ya kaboni ya vinyweleo inayopatikana kutoka kwa nyenzo ya mmea iliyo na silicon (Si) ya 5% au zaidi kama malighafi, ilisema nyenzo ya kaboni ya porous yenye maudhui ya silicon ya 1 wt. % au chini ya hapo, na (B) nyenzo inayofanya kazi inayoauniwa kwenye nyenzo ya kaboni yenye vinyweleo, na ina eneo mahususi la 10 m2/g au zaidi, kama inavyobainishwa na ufyonzaji wa nitrojeni kwa mbinu ya BET, na ujazo wa pore 0.1 cm3/g au zaidi , ambayo imedhamiriwa na mbinu ya BJH na mbinu ya Mbunge.

Uvumbuzi huo unahusiana na tasnia ya kemikali. Nyenzo za kaboni-metali kwa namna ya mchanganyiko wa nyuzi za kaboni na chembe za nikeli zilizowekwa kwenye kaboni isiyopangwa na kipenyo cha nanometers 10 hadi 150 hupatikana kwa pyrolysis ya kichocheo ya ethanol kwenye shinikizo la anga.

Uvumbuzi unaweza kutumika katika uzalishaji wa vifaa vya composite. Nanomaterials za awali za kaboni, kama vile nanotubes, nanothreads au nanofibers, hutibiwa kwa mchanganyiko wa asidi ya nitriki na hidrokloriki kwa joto la 50-100 ° C kwa angalau dakika 20, huoshwa kwa maji na kukaushwa.

Uvumbuzi huo unahusiana na uwanja wa kemia ya kimwili na colloidal na inaweza kutumika katika maandalizi ya nyimbo za polima. Usimamishaji wa kikaboni uliotawanywa vizuri wa nanostructures zenye metali ya kaboni hupatikana kwa mwingiliano wa nanostructures na polyethilini polyamine.

Uvumbuzi huo unahusiana na tasnia ya petrokemikali na kemia ya plasma na inaweza kutumika kwa usindikaji wa plasma na utupaji wa taka za kusafisha mafuta. Malisho ya 5 ya hidrokaboni 5 hutenganishwa na utokaji wa umeme katika kifaa cha kutokwa kilicho katika chumba cha utupu 6.

Uvumbuzi huo unahusiana na uwanja wa teknolojia ya nano, na kwa usahihi zaidi njia za kujaza mashimo ya ndani ya nanotubes na dutu za kemikali, na inaweza kutumika kujaza mashimo ya ndani ya nanotubes na dutu muhimu wakati wa kuzitumia kwa njia ya nanocontainers na kwa uzalishaji wa nanomaterials na mali mpya muhimu.

Uvumbuzi huo unahusiana na kifaa cha kielektroniki cha graphene. Kifaa cha kielektroniki kinachoweza kunyumbulika na kunyooshwa kinajumuisha elektrodi ya kwanza ya graphene, elektrodi ya pili ya graphene, semiconductor ya graphene, na elektrodi ya kudhibiti graphene iliyowekwa kati ya elektrodi ya kwanza na ya pili ya graphene na inapogusana na semiconductor ya graphene.

Tumia: kwa uzalishaji wa mzunguko uliofungwa wa bidhaa mpya za nanoelectronics. Kiini cha uvumbuzi kiko katika ukweli kwamba katika tata ya nanoteknolojia kulingana na teknolojia ya ion na probe, ikiwa ni pamoja na chumba cha usambazaji na njia za kusukumia, ambayo msambazaji wa roboti ya kati na uwezekano wa mzunguko wa axial iko, iliyo na gripper ya wabebaji wa substrate. , wakati chumba cha usambazaji kina flanges ambayo imeunganishwa na chumba cha upakiaji na moduli ya upandaji wa ion, kukamata kwa wabebaji wa substrate kuna uwezo wa kuingiliana na chumba cha upakiaji na moduli ya uwekaji wa ion, moduli ya kupimia imeanzishwa, pamoja na. darubini ya uchunguzi wa skanning na moduli ya boriti ya ion na mfumo wa injectors ya gesi, wakati wao wameunganishwa na flanges ya chumba cha usambazaji na wana mwingiliano wa uwezo na ukamataji wa flygbolag za substrate. Kifaa cha kikaboni cha photovoltaic, njia ya utengenezaji wake na matumizi ya marekebisho yenye fluorine ili kuboresha sifa za seli za jua za kikaboni // 2528416

Uvumbuzi huo unahusiana na uwanja wa vifaa vya kielektroniki vya kikaboni, yaani, vifaa vya kikaboni vya photovoltaic (betri za jua na vitambua picha) vilivyotengenezwa kwa kutumia misombo ya kikaboni iliyo na florini kama viungio vya kurekebisha.

Uvumbuzi huo unahusiana na nyanja ya kemia, biolojia na dawa ya molekuli, yaani, mbinu ya kuzalisha mfumo wa nanosized kwa utoaji wa trifosfati ya nucleoside. Njia hii inajumuisha kurekebisha mtoa huduma, ambayo hutumia nanoparticles ya silicon dioksidi iliyo na amino hadi ukubwa wa nm 24, kwa kutibu ya mwisho na N-hydroxysuccinimide ester ya azidoasidi ya aliphatic, kisha kupata nucleoside trifosfati (pppN) iliyorekebishwa kwa kutibu mwisho na mchanganyiko wa triphenylphosphine/dithiodipyridine, ikifuatiwa na incubation ya derivative amilifu inayosababisha pppN na 3-propynyloxypropylamine na uzuiaji uliofuata wa pppN iliyorekebishwa kwenye nanoparticles zilizobadilishwa azide kwa saa 2-4.

Uvumbuzi huo unaweza kutumika katika tasnia ya kemikali kwa utakaso mzuri wa michanganyiko ya gesi iliyo na hidrojeni kutoka kwa oksidi za kaboni kwa kuzitia hidrojeni hadi methane. Uvumbuzi huo unahusiana na njia ya kutoa kichocheo cha mchakato wa methanation, ikiwa ni pamoja na kuingizwa kwa carrier kulingana na oksidi ya alumini hai katika mfumo wa granules katika suluhisho iliyo na nitrati ya nikeli, ikifuatiwa na kukausha kwa joto la 100 ° C - 120 °. C na calcination kwa joto la 450 ° C-500 ° C ya carrier mimba, wakati livsmedelstillsats kurekebisha ni kuletwa katika nickel nitrate ufumbuzi - asidi kikaboni na mkusanyiko wa 0.5-20.0 wt.%, na kichocheo kumaliza ina Fuwele za NiO zenye ukubwa wa wastani wa sampuli ziko katika anuwai ya nanomita 2-3, na mkusanyiko wa NiO 12.0-25.0 wt.% na γ-Al2O3 - iliyosalia. Matokeo ya kiufundi yanajumuisha kuunda mbinu ya kutengeneza kichocheo cha methanation na kuongezeka kwa kuaminika na shughuli, kuruhusu kupunguza gharama na kufupisha muda wa kutekeleza mbinu. 2 mshahara faili, meza 1, 13 pr.

Uvumbuzi unaweza kutumika kutengeneza nanotube za kaboni zilizobadilishwa. Njia ya kurekebisha nanotubes ya kaboni inahusisha kutibu nanotubes za kaboni na ufumbuzi wa maji wa wakala wa oxidizing, ambayo ni suluhisho la persulfate au hypochlorite katika pH ya zaidi ya 10, inayofanyika wakati huo huo na matibabu ya mitambo. Uvumbuzi huo unawezesha kupata nanotubes za kaboni zilizobadilishwa na utawanyiko mzuri katika maji na vimumunyisho vya kikaboni vya polar na matumizi ya chini ya vitendanishi ikilinganishwa na mbinu zinazojulikana. 2 mshahara f-ly, 2 ave.

Nyenzo za kaboni ya unga (grafu, kaboni, nyeusi za kaboni, CNTs, graphene) hutumiwa sana kama vichungi vya kazi vya vifaa anuwai, na mali ya umeme ya composites na vichungi vya kaboni imedhamiriwa na muundo na mali ya kaboni, na vile vile teknolojia ya utengenezaji wa kaboni. uzalishaji wao. CNTs ni nyenzo ya unga iliyofanywa kutoka kwa miundo ya mfumo wa fomu ya allotropic ya kaboni kwa namna ya CNTs yenye kuta nyingi na kipenyo cha nje cha 10-100 nm (Mchoro 1). Kama inavyojulikana, upinzani wa umeme (ρ, Ohm∙m) wa CNTs inategemea njia ya usanisi na utakaso wao na inaweza kuanzia 5∙10-8 hadi 0.008 Ohm∙m, ambayo ni chini ya
kwenye grafiti.
Wakati wa kuzalisha composites conductive, vifaa vya conductive sana (poda za chuma, kaboni nyeusi, grafiti, kaboni na nyuzi za chuma) huongezwa kwenye dielectri. Hii inakuwezesha kutofautiana conductivity ya umeme na sifa za dielectric za composites za polymer.
Utafiti huu ulifanyika ili kuamua uwezekano wa kubadilisha upinzani wa umeme wa CNTs kupitia marekebisho yao. Hii itapanua utumiaji wa mirija kama kichungi cha mchanganyiko wa polima na upitishaji wa umeme uliopangwa. Kazi hiyo ilitumia sampuli za poda za CNT zinazozalishwa na ALIT-ISM (Zhitomir, Kyiv) na poda za CNT zilizofanyiwa marekebisho ya kemikali. Ili kulinganisha sifa za umeme za vifaa vya kaboni, tulitumia sampuli za CNT "Taunit" (Tambov), iliyounganishwa kulingana na TU 2166-001-02069289-2007, CNT LLC "TMSpetsmash" (Kyiv), iliyotengenezwa kulingana na TU U 24.1-03291669 -009:2009, grafiti ya crucible . CNT zinazozalishwa na ALIT-ISM na Taunit zimeunganishwa kwa njia ya CVD kwenye kichocheo cha NiO/MgO, na CNTs na TMSpetsmash LLC zinaunganishwa kwenye kichocheo cha FeO/NiO (Mchoro 2). Katika utafiti, chini ya hali sawa na kutumia mbinu sawa zilizotengenezwa, sifa za umeme za sampuli za vifaa vya kaboni ziliamua. Resistivity ya umeme ya sampuli ilihesabiwa kwa kuamua sifa za sasa za voltage ya sampuli ya poda kavu iliyoshinikizwa kwa shinikizo la 50 kG (Jedwali 1).
Marekebisho ya CNTs (No. 1-4) ilionyesha uwezekano wa kubadilisha sifa za electrophysical za CNTs kwa kutumia ushawishi wa physicochemical (tazama Jedwali 1). Hasa, resistivity ya umeme ya sampuli ya awali ilipungua kwa mara 1.5 (No. 1); na kwa sampuli No 2-4 - ongezeko kwa mara 1.5-3.
Wakati huo huo, jumla ya uchafu (sehemu katika mfumo wa mabaki yasiyoweza kuwaka) ilipungua kutoka
2.21 (CNTs asili) hadi 1.8% kwa
sampuli Na. 1 na hadi 0.5% kwa Nambari 3. Usikivu maalum wa magnetic wa sampuli No. 2-4 ulipungua kutoka 127∙10-8 hadi 3.9∙10-8 m3 / kg. Sehemu maalum ya uso wa sampuli zote iliongezeka kwa karibu 40%. Miongoni mwa CNT zilizobadilishwa, kiwango cha chini cha kupinga umeme (574∙10-6 Ohm∙m) kilirekodiwa katika sampuli Nambari 1, ambayo ni karibu na upinzani wa grafiti ya crucible (33∙10-6 Ohm∙m). Kwa upande wa upinzani maalum, sampuli za CNT kutoka Taunit na TMSpetsmash LLC zinalinganishwa na sampuli Na.
Imeanzishwa kuwa upinzani wa umeme wa CNTs unaweza kuwa tofauti kutoka 6∙10-4 hadi
12∙10-4 Ohm∙m. Vipimo vimetengenezwa kwa matumizi ya CNTs zilizobadilishwa katika utengenezaji wa vifaa vya composite na polycrystalline, mipako, vichungi, kusimamishwa, kuweka na vifaa vingine sawa.
TU U 24.1-05417377-231:2011 "Nanopowders ya CNTs yenye kuta nyingi za darasa la MWCNT-A",
MUN-V (MWCNT-B), MUN-S (MWCNT-S)"
(Jedwali 2).
Wakati poda za CNT zilizorekebishwa huletwa kwenye msingi wa polyethilini wa composites kama kichungi, conductivity ya umeme ya mchanganyiko wa polima huongezeka kwa ongezeko la conductivity yao ya umeme. Kwa hiyo, kutokana na marekebisho yaliyolengwa ya CNTs, uwezekano wa kutofautiana kwa sifa zao, hasa, kupinga umeme, hufungua.
Fasihi
1. Tkachev A.G., Zolotukhin I.V. Vifaa na njia za usanisi wa muundo wa hali-ngumu. - M.: Mashinostroenie-1, 2007.
2. Bogatyreva G.P., Marinich M.A., Bazaliy G.A., Ilnitskaya G.D., Kozina G.K., Frolova L.A. Utafiti wa ushawishi wa matibabu ya kemikali juu ya mali ya physicochemical ya nanotubes kaboni. Sat. kisayansi tr. "Fullerenes na nanostructures katika suala kufupishwa." / Mh.
P.A. Vityaz. - Minsk: Taasisi ya Kisayansi ya Jimbo "Taasisi ya Joto na Uhamisho wa Misa"
kubadilishana nao A.V. Lykova" NAS ya Belarus, 2011, ukurasa wa 141-146.
3. Novak D.S., Berezenko N.M., Shostak T.S., Pakharenko V.O., Bogatyreva G.P., Oleynik N.A., Bazaliy G.A. Nanocomposites zinazoendesha umeme kulingana na polyethilini. Sat. kisayansi tr. "Vyombo vya kukata miamba na chuma - vifaa na teknolojia kwa utengenezaji na matumizi yao." - Kyiv: ISM
yao. V.N.Bakulya NAS ya Ukrainia, 2011, toleo la 14, uk.394–398.

Nyenzo za kaboni ya unga (graphite, makaa, soti, CNTs, graphene) hutumiwa sana kama vijazaji vya kazi vya vifaa tofauti, na mali ya umeme ya composites na vichungi vya kaboni imedhamiriwa na muundo na mali ya kaboni na teknolojia ya uzalishaji. CNTs ni nyenzo ya poda ya miundo ya fremu ya aina ya allotropiki ya kaboni katika mfumo wa CNTs yenye kuta nyingi na kipenyo cha nje cha 10 hadi 100 nm (Mchoro 1a, b). Inajulikana kuwa resistivity ya umeme (ρ, Ohm∙m) ya CNTs inategemea njia ya awali na utakaso wao na inaweza kuanzia 5∙10-8 hadi 0.008 Ohm∙m, ambayo ni kwa amri ya chini kuliko ile ya grafiti.
Mtini.1. a) - poda ya CNTs, b) - kipande cha CNTs (Hadubini ya Kielektroniki ya Nguvu)
Wakati wa utengenezaji wa composites conductive vifaa vya juu vya conductive (poda za chuma, kaboni ya kiufundi, grafiti, kaboni na nyuzi za chuma) huongezwa kwa dielectri. Hii inaruhusu kutofautiana conductivity na mali dielectric ya composites polymer.
Uchunguzi wa sasa ulifanyika ili kuamua uwezekano wa kubadilisha upinzani maalum wa umeme wa CNTs kupitia marekebisho yao. Hii itapanua utumiaji wa mirija kama kichungi cha mchanganyiko wa polima na upitishaji wa umeme uliopangwa. Uchunguzi ulitumia sampuli za poda za awali za CNTs zilizofanywa na ALIT-ISM (Zhytomyr, Kiev) na poda za CNTs ambazo zilikuwa chini ya marekebisho mbalimbali ya kemikali. Ili kulinganisha sifa za kielektroniki za vifaa vya kaboni sampuli za CNTs "Taunit" (Tambov, Russia) zilizounganishwa chini ya 2166-001-02069289-2007, LLC "TMSpetsmash" (Kiev), iliyofanywa chini ya 24.1-03291669-009:2009, cruciNT graphite iliyofanywa na ALIT-ISM na "Taunit" huunganishwa na njia ya CVD- kwenye kichocheo cha NiO/MgO na CNTs zilizofanywa na LLC "TMSpetsmash" - kwenye kichocheo cha FeO/NiO zilitumiwa (Mchoro 2).
Mchoro 2 a - CNT (ALIT-ISM), b - CNT "TMSpetsmash" (PEM-picha).
Uchunguzi chini ya hali sawa kwa kutumia njia sawa zilizotengenezwa katika ISM uliamua sifa za kimwili za sampuli za vifaa vya kaboni ziliamua. Upinzani maalum wa umeme wa sampuli ulihesabiwa kwa kuamua tabia ya sasa ya voltage ya kipengele cha poda kavu iliyoshinikizwa chini ya shinikizo la kilo 50. (Jedwali 1).
Marekebisho ya CNTs (No.1-4) yameonyesha uwezekano wa kubadilisha mali ya umeme kwao porpusfully kwa msaada wa madhara ya kimwili na kemikali. Hasa, upinzani maalum wa umeme wa sampuli ya awali ulipunguzwa mara 1.5 (No.1) na kwa No. 2 - 4 iliongezeka mara 1.5-3.
Katika kesi hii jumla ya kiasi cha uchafu (shere yao katika mfumo wa mabaki yasiyoweza kuwaka) ilipungua kutoka 2.21% (CNTs za awali) hadi 1.8% kwa No.1 na hadi 0.5% kwa No.3. Uwezekano wa magnetic wa sampuli No.2 - 4 ulipungua kwa amri. Sehemu maalum ya uso wa sampuli zote iliongezeka karibu na 40%. Miongoni mwa CNTs iliyobadilishwa kiwango cha chini cha upinzani maalum wa umeme (574∙10-6 Ohm∙m) ni fasta kwa sampuli No.1 ambayo ni karibu na upinzani vile wa crucible grafiti (337∙10-6 Ohm∙m). Kwa ukinzani mahususi sampuli za CNTs "Taunit" na "TMSpetsmash" zinaweza kulinganishwa na zile za sampuli Na.2 na No.3, na unyeti wa sumaku wa sampuli hizi ni kwa agizo la juu kuliko ile ya sampuli za CNT zilizorekebishwa ("Alit -ISM").
Kwa hivyo, uwezekano wa kurekebisha CNTs ili kutofautiana thamani maalum ya kupinga umeme ya CNTs katika aina mbalimbali 6∙10-4÷12∙10-4Ohm∙m ilielezwa. Kumekuwa na vipimo vilivyotengenezwa 24.1-05417377-231:2011 "Nanopowders za CNTs zenye ukuta nyingi za darasa MWCNTs-A, MWCNTs-B, MWCNTs-C (Jedwali la 2) kwa CNTs zilizorekebishwa kwa ajili ya uzalishaji wa vifaa vya composite na polycrystalline, mipako, fillers, suspensions. , pastes na vifaa vingine vinavyofanana.
Wakati wa kuanzishwa kwa msingi wa polyethilini wa composites kama kijazaji cha poda zilizobadilishwa za CNTs za darasa mpya na kuongezeka kwa conductivity ya umeme ya CNTs conductivity ya umeme ya polymer Composite huongezeka. Kwa hiyo, kutokana na marekebisho yaliyoelekezwa ya CNTs kuna fursa mpya za kutofautiana na sifa zao, hasa, thamani ya resistivity ya umeme.
Fasihi

· Maombi · Athari ya sumu · Makala kuhusiana · Maoni · Vidokezo · Fasihi · Tovuti rasmi ·

Mipango ya muundo wa marekebisho mbalimbali ya kaboni
a: Almasi, b: grafiti, c: lonsdaleite
d: fullerene - buckyball C 60, e: fullerene C 540, f: fullerene C 70
g: kaboni ya amofasi, h: nanotube ya kaboni

Maelezo zaidi: Alotropi ya kaboni

Kaboni ya fuwele

Almasi
Graphene
grafiti
Carbin
lonsdaleite
Nanodiamond
Fullerenes
Fullerite
Fiber ya kaboni
Nanofiber za kaboni
Nanotubes za kaboni

Kaboni ya amofasi

Kaboni iliyoamilishwa
Mkaa
Makaa ya mawe: anthracite, nk.
Coke ya makaa ya mawe, coke ya petroli, nk.
Kaboni ya kioo
Nyeusi ya kaboni
Nanofoam ya kaboni

Katika mazoezi, kwa ujumla, fomu za amofasi zilizoorodheshwa hapo juu ni misombo ya kemikali yenye maudhui ya juu ya kaboni, badala ya aina safi ya allotropic ya kaboni.

Fomu za nguzo

Astralens
Dicarbon
Nanokoni za kaboni

Muundo

Mizunguko ya elektroni ya atomi ya kaboni inaweza kuwa na jiometri tofauti, kulingana na kiwango cha mseto wa obiti zake za elektroni. Kuna jiometri tatu za msingi za atomi ya kaboni.

tetrahedral, iliyoundwa kwa kuchanganya s- na p-elektroni tatu (sp 3 mseto). Atomu ya kaboni iko katikati ya tetrahedron, iliyounganishwa na vifungo vinne sawa na kaboni au atomi nyingine kwenye vipeo vya tetrahedron. Marekebisho ya allotropiki ya kaboni almasi na lonsdaleite yanahusiana na jiometri hii ya atomi ya kaboni. Carbon inaonyesha mseto huo, kwa mfano, katika methane na hidrokaboni nyingine.
trigonal, iliyoundwa kwa kuchanganya obiti za p-electron moja (sp 2). Atomi ya kaboni ina vifungo vitatu vilivyo sawa vilivyo kwenye ndege moja kwa pembe ya 120 ° kwa kila mmoja. P-orbital, ambayo haishiriki katika mseto na iko perpendicular kwa ndege ya -bond, hutumiwa kuunda -bondi na atomi nyingine. Jiometri hii ya kaboni ni tabia ya grafiti, phenol, nk.
digonal, iliyoundwa kwa kuchanganya p-elektroni moja (sp-hybridization). Kwa kuongezea, mawingu mawili ya elektroni yameinuliwa kwa mwelekeo mmoja na yanaonekana kama dumbbells za asymmetrical. P elektroni zingine mbili hufanya - vifungo. Carbon yenye jiometri kama hiyo ya atomiki huunda muundo maalum wa allotropic - Carbyne.

Mnamo 2010, watafiti wa Chuo Kikuu cha Nottingham Stephen Liddle na wenzake walipata kiwanja (monomeric dilithio methandium) ambamo vifungo vinne vya atomi ya kaboni viko kwenye ndege moja. Uwezekano wa "kaboni bapa" hapo awali ulikuwa umetabiriwa kwa dutu hii na Paul von Schleyer, lakini haukuunganishwa.

Graphite na almasi

Marekebisho kuu na yaliyosomwa vizuri ya kaboni ni almasi na grafiti. Chini ya hali ya kawaida, grafiti tu ni thermodynamically imara, wakati almasi na aina nyingine ni metastable. Kwa shinikizo la anga na joto la juu ya 1200 K, almasi huanza kubadilika kuwa grafiti juu ya 2100 K, mabadiliko hufanyika kwa sekunde. Mpito wa H 0 - 1.898 kJ/mol. Kwa shinikizo la kawaida, kaboni hupungua kwa 3,780 K. Dioksidi ya kioevu inapatikana tu kwa shinikizo fulani la nje. Pointi tatu: graphite-kioevu-mvuke T = 4130 K, R= 10.7 MPa. Mpito wa moja kwa moja wa grafiti kwa almasi hutokea kwa 3000 K na shinikizo la 11-12 GPa.

Kwa shinikizo la juu ya 60 GPa, uundaji wa muundo mnene sana C III (wiani 15-20% juu kuliko wiani wa almasi), ambayo ina conductivity ya metali, inadhaniwa. Kwa shinikizo la juu na joto la chini (takriban 1,200 K), urekebishaji wa hexagonal wa kaboni na kimiani ya fuwele ya aina ya wurtzite - lonsdaleite (a = 0.252 nm, c = 0.412 nm, kikundi cha anga) huundwa kutoka kwa grafiti iliyoelekezwa sana. P6 3/mmc), msongamano 3.51 g/cm, yaani, sawa na ile ya almasi. Lonsdaleite pia hupatikana katika meteorites.

Almasi za Ultradisperse (nanodiamonds)

Katika miaka ya 1980 Katika USSR, iligundua kuwa chini ya hali ya upakiaji wa nguvu wa vifaa vyenye kaboni, miundo ya almasi, inayoitwa almasi ya ultrafine (UDD), inaweza kuunda. Leo, neno "nanodiamonds" linazidi kutumika. Ukubwa wa chembe katika nyenzo hizo ni nanometers chache. Masharti ya malezi ya UDD yanaweza kupatikana wakati wa kulipuka kwa milipuko na usawa mkubwa wa oksijeni hasi, kwa mfano, mchanganyiko wa TNT na hexojeni. Hali kama hizo zinaweza pia kufikiwa wakati wa athari za miili ya mbinguni kwenye uso wa Dunia mbele ya nyenzo zenye kaboni (kikaboni, peat, makaa ya mawe, nk). Kwa hivyo, katika ukanda wa kuanguka wa meteorite ya Tunguska, UDAs ziligunduliwa kwenye sakafu ya msitu.

Carbin

Marekebisho ya fuwele ya kaboni ya mfumo wa hexagonal na muundo wa mnyororo wa molekuli inaitwa Carbyne. Minyororo ina muundo wa polyene (-CC-) au muundo wa polycumulene (=C=C=). Aina kadhaa za carbyne zinajulikana, tofauti katika idadi ya atomi katika seli ya kitengo, ukubwa wa seli na msongamano (2.68-3.30 g / cm). Carbyne hutokea kwa asili kwa namna ya chaoite ya madini (mishipa nyeupe na inclusions katika grafiti) na hupatikana kwa bandia - kwa dehydropolycondensation ya oxidative ya asetilini, kwa hatua ya mionzi ya laser kwenye grafiti, kutoka kwa hidrokaboni au CCl 4 katika plasma ya chini ya joto.

Carbin ni unga mweusi laini-fuwele (wiani 1.9-2 g/cm) na ina sifa za semiconductor. Imepatikana chini ya hali ya bandia kutoka kwa minyororo mirefu ya atomi za kaboni iliyowekwa sambamba kwa kila mmoja.

Carbyne ni polima ya mstari wa kaboni. Katika molekuli ya carbyne, atomi za kaboni zimeunganishwa kwa minyororo kwa njia mbadala ama kwa vifungo vitatu na moja (muundo wa polyene) au kwa kudumu na vifungo viwili (muundo wa polycumulene). Dutu hii ilipatikana kwa mara ya kwanza na wanakemia wa Soviet V.V Korshak, A.M Sladkov, V.I. katika Taasisi ya Misombo ya Organoelement ya Chuo cha Sayansi cha USSR. Carbyne ina mali ya semiconducting, na conductivity yake huongezeka sana wakati inakabiliwa na mwanga. Maombi ya kwanza ya vitendo yanategemea mali hii - katika seli za picha.

Fullerenes na Carbon Nanotubes

Carbon pia inajulikana kwa namna ya chembe za nguzo C 60, C 70, C 80, C 90, C 100 na kadhalika (Fullerenes), na kwa kuongeza graphenes, nanotubes na miundo tata - astralenes.

Kaboni ya amofasi (muundo)

Muundo wa kaboni ya amofasi inategemea muundo usio na utaratibu wa fuwele moja (daima ina uchafu) grafiti. Hizi ni coke, makaa ya kahawia na nyeusi, kaboni nyeusi, soti, kaboni iliyoamilishwa.

Graphene

Maelezo zaidi: Graphene

Graphene ni muundo wa allotropiki wa kaboni wenye pande mbili, unaoundwa na safu ya atomi za kaboni atomi moja nene, iliyounganishwa kupitia vifungo vya sp kwenye kimiani ya fuwele ya pande mbili-mbili.

Nishati ni tasnia muhimu ambayo ina jukumu kubwa katika maisha ya mwanadamu. Hali ya nishati nchini inategemea kazi ya wanasayansi wengi katika tasnia hii. Leo wanatafuta madhumuni haya, wako tayari kutumia chochote, kutoka kwa jua na maji hadi nishati ya hewa. Vifaa vinavyoweza kuzalisha nishati kutoka kwa mazingira vinathaminiwa sana.

Habari za jumla

Nanotube za kaboni ni ndege ndefu za grafiti zilizoviringishwa ambazo zina umbo la silinda. Kama sheria, unene wao hufikia makumi kadhaa ya nanometers, na urefu wa sentimita kadhaa. Mwishoni mwa nanotubes kichwa cha spherical kinaundwa, ambayo ni moja ya sehemu za fullerene.

Kuna aina mbili za nanotubes za kaboni: metali na semiconductor. Tofauti yao kuu ni conductivity ya sasa. Aina ya kwanza inaweza kufanya sasa kwa joto sawa na 0ºС, na pili - tu kwa joto la juu.

Nanotubes za kaboni: mali

Sehemu nyingi za kisasa, kama vile kemia iliyotumika au nanoteknolojia, zinahusishwa na nanotubes, ambazo zina muundo wa fremu ya kaboni. Ni nini? Muundo huu unarejelea molekuli kubwa zilizounganishwa kwa kila mmoja tu na atomi za kaboni. Nanotubes za kaboni, ambazo mali zake zinategemea shell iliyofungwa, ni ya thamani sana. Kwa kuongeza, fomu hizi zina sura ya cylindrical. Vipu vile vinaweza kupatikana kwa kukunja karatasi ya grafiti, au kukua kutoka kwa kichocheo maalum. Nanotubes za kaboni, picha ambazo zimewasilishwa hapa chini, zina muundo usio wa kawaida.

Wanakuja kwa maumbo na ukubwa tofauti: safu moja na safu nyingi, moja kwa moja na iliyopigwa. Licha ya ukweli kwamba nanotubes inaonekana tete kabisa, ni nyenzo zenye nguvu. Kama matokeo ya tafiti nyingi, iligundulika kuwa wana mali kama vile kunyoosha na kuinama. Chini ya ushawishi wa mizigo mikubwa ya mitambo, vipengele havivunja au kuvunja, yaani, vinaweza kukabiliana na voltages tofauti.

Sumu

Kama matokeo ya tafiti nyingi, iligundulika kuwa nanotubes za kaboni zinaweza kusababisha shida sawa na nyuzi za asbesto, ambayo ni, tumors mbaya nyingi hufanyika, pamoja na saratani ya mapafu. Kiwango cha athari mbaya ya asbesto inategemea aina na unene wa nyuzi zake. Kwa kuwa nanotubes za kaboni ni ndogo kwa uzito na ukubwa, huingia kwa urahisi kwenye mwili wa binadamu pamoja na hewa. Ifuatayo, huingia kwenye pleura na kuingia kwenye kifua, na baada ya muda husababisha matatizo mbalimbali. Wanasayansi walifanya jaribio na kuongeza chembechembe za nanotube kwenye chakula cha panya. Bidhaa za kipenyo kidogo kivitendo hazikukaa kwenye mwili, lakini kubwa zilichimba ndani ya kuta za tumbo na kusababisha magonjwa anuwai.

Mbinu za kupokea

Leo, kuna njia zifuatazo za kutengeneza nanotubes za kaboni: malipo ya arc, ablation, uwekaji wa mvuke.

Utekelezaji wa arc ya umeme. Kupata (nanotubes za kaboni zinaelezwa katika makala hii) malipo ya umeme katika plasma, ambayo huwaka kwa kutumia heliamu. Utaratibu huu unaweza kufanywa kwa kutumia vifaa maalum vya kiufundi vya kutengeneza fullerenes. Lakini njia hii hutumia njia zingine za kuchoma arc. Kwa mfano, imepunguzwa, na cathodes ya unene mkubwa hutumiwa pia. Ili kuunda mazingira ya heliamu, ni muhimu kuongeza shinikizo la kipengele hiki cha kemikali. Nanotubes za kaboni hutolewa kwa sputtering. Ili idadi yao iongezeke, ni muhimu kuanzisha kichocheo kwenye fimbo ya grafiti. Mara nyingi ni mchanganyiko wa makundi mbalimbali ya chuma. Ifuatayo, shinikizo na njia ya dawa hubadilika. Kwa hivyo, amana ya cathode hupatikana, ambapo nanotubes za kaboni huundwa. Bidhaa za kumaliza zinakua perpendicular kwa cathode na hukusanywa kwenye vifungu. Urefu wao ni microns 40.

Uondoaji. Njia hii iligunduliwa na Richard Smalley. Kiini chake ni kuyeyusha nyuso tofauti za grafiti katika reactor inayofanya kazi kwa joto la juu. Nanotubes za kaboni huundwa na uvukizi wa grafiti chini ya reactor.

Wao hupozwa na kukusanywa kwa kutumia uso wa baridi. Ikiwa katika kesi ya kwanza, idadi ya vipengele ilikuwa sawa na 60%, basi kwa njia hii takwimu iliongezeka kwa 10%. Gharama ya njia ya kuondolewa kwa laser ni ghali zaidi kuliko wengine wote. Kama sheria, nanotubes zenye ukuta mmoja hupatikana kwa kubadilisha joto la mmenyuko.

Uwekaji wa mvuke. Mbinu ya uwekaji wa mvuke wa kaboni ilivumbuliwa mwishoni mwa miaka ya 50. Lakini hakuna mtu hata aliyefikiria kwamba inaweza kutumika kutengeneza nanotubes za kaboni. Kwa hiyo, kwanza unahitaji kuandaa uso na kichocheo. Inaweza kuwa chembe ndogo za metali mbalimbali, kwa mfano, cobalt, nickel na wengine wengi. Nanotubes huanza kuibuka kutoka kwa safu ya kichocheo. Unene wao moja kwa moja inategemea ukubwa wa chuma cha kichocheo. Uso huo huwashwa kwa joto la juu, na kisha gesi yenye kaboni hutolewa. Miongoni mwao ni methane, asetilini, ethanoli, nk. Amonia hutumika kama gesi ya ziada ya kiufundi. Njia hii ya kutengeneza nanotubes ndiyo inayojulikana zaidi. Mchakato yenyewe unafanyika katika makampuni mbalimbali ya viwanda, kutokana na ambayo rasilimali kidogo za fedha hutumiwa katika kuzalisha idadi kubwa ya zilizopo. Faida nyingine ya njia hii ni kwamba vipengele vya wima vinaweza kupatikana kutoka kwa chembe za chuma ambazo hutumika kama kichocheo. Uzalishaji (nanotubes za kaboni zinaelezewa kutoka pande zote) uliwezekana kutokana na utafiti wa Suomi Iijima, ambaye aliona kuonekana kwao chini ya darubini kama matokeo ya awali ya kaboni.

Aina kuu

Vipengele vya kaboni vinawekwa kwa idadi ya tabaka. Aina rahisi zaidi ni nanotubes za kaboni zenye ukuta mmoja. Kila mmoja wao ni takriban 1 nm nene, na urefu wao unaweza kuwa mkubwa zaidi. Ikiwa tutazingatia muundo, bidhaa inaonekana kama grafiti ya kufunika kwa kutumia mesh ya hexagonal. Katika vipeo vyake kuna atomi za kaboni. Hivyo, tube ina sura ya silinda, ambayo haina seams. Sehemu ya juu ya vifaa imefungwa na vifuniko vinavyojumuisha molekuli za fullerene.

Aina inayofuata ni nanotubes za kaboni zenye kuta nyingi. Zinajumuisha tabaka kadhaa za grafiti, ambazo zimefungwa kwenye sura ya silinda. Umbali wa 0.34 nm huhifadhiwa kati yao. Aina hii ya muundo inaelezewa kwa njia mbili. Kulingana na ya kwanza, mirija ya multilayer ni mirija kadhaa ya safu moja iliyowekwa ndani ya kila mmoja, ambayo inaonekana kama mwanasesere wa kiota. Kwa mujibu wa pili, nanotubes nyingi ni karatasi ya grafiti ambayo inazunguka yenyewe mara kadhaa, sawa na gazeti lililopigwa.

Nanotubes za kaboni: maombi

Vipengele ni mwakilishi mpya kabisa wa darasa la nanomaterials.

Kama ilivyoelezwa hapo awali, wana muundo wa sura, ambayo hutofautiana katika mali kutoka kwa grafiti au almasi. Ndiyo sababu hutumiwa mara nyingi zaidi kuliko vifaa vingine.

Kwa sababu ya sifa kama vile nguvu, kupiga, conductivity, hutumiwa katika nyanja nyingi:

kama nyongeza kwa polima;
kichocheo cha vifaa vya taa, pamoja na maonyesho ya jopo la gorofa na zilizopo katika mitandao ya mawasiliano ya simu;
kama kifyonzaji cha mawimbi ya sumakuumeme;
kwa ubadilishaji wa nishati;
uzalishaji wa anodes katika aina mbalimbali za betri;
hifadhi ya hidrojeni;
utengenezaji wa sensorer na capacitors;
uzalishaji wa composites na kuimarisha muundo na mali zao.

Kwa miaka mingi, nanotubes za kaboni, ambazo utumizi wake hauzuiliwi kwa tasnia moja maalum, zimetumika katika utafiti wa kisayansi. Nyenzo hii ina nafasi dhaifu katika soko, kwani kuna matatizo na uzalishaji mkubwa. Jambo lingine muhimu ni gharama kubwa ya nanotubes za kaboni, ambayo ni takriban $ 120 kwa gramu ya dutu hiyo.

Zinatumika kama nyenzo ya msingi katika utengenezaji wa composites nyingi, ambazo hutumiwa kutengeneza bidhaa nyingi za michezo. Sekta nyingine ni sekta ya magari. Utendakazi wa nanotubes za kaboni katika eneo hili unakuja hadi kutoa sifa za upitishaji kwa polima.

Mgawo wa conductivity ya mafuta ya nanotubes ni ya juu sana, kwa hivyo inaweza kutumika kama kifaa cha kupoeza kwa vifaa vingi vikubwa. Pia hutumiwa kutengeneza vidokezo ambavyo vimeunganishwa kwenye mirija ya uchunguzi.

Eneo muhimu zaidi la maombi ni teknolojia ya kompyuta. Shukrani kwa nanotubes, maonyesho ya gorofa yanaundwa. Kwa kuzitumia, unaweza kupunguza kwa kiasi kikubwa vipimo vya jumla vya kompyuta yenyewe, na pia kuongeza utendaji wake wa kiufundi. Vifaa vya kumaliza vitakuwa mara kadhaa bora kuliko teknolojia za sasa. Kulingana na masomo haya, zilizopo za picha za juu-voltage zinaweza kuundwa.

Baada ya muda, zilizopo zitatumika sio tu kwa umeme, bali pia katika nyanja za matibabu na nishati.

Uzalishaji

Mirija ya kaboni, ambayo uzalishaji wake umegawanywa kati ya aina mbili, inasambazwa kwa usawa.

Hiyo ni, MWNT huzalishwa zaidi ya SWNTs. Aina ya pili inafanywa katika kesi ya haja ya haraka. Makampuni mbalimbali yanazalisha nanotubes za kaboni daima. Lakini kwa kweli sio katika mahitaji, kwani gharama zao ni za juu sana.

Viongozi wa uzalishaji

Leo, mahali pa kuongoza katika uzalishaji wa nanotubes ya kaboni inachukuliwa na nchi za Asia, ambazo ni mara 3 zaidi kuliko katika nchi nyingine za Ulaya na Amerika. Hasa, Japan inajishughulisha na uzalishaji wa MWNTs. Lakini nchi zingine, kama vile Korea na Uchina, sio duni kwa kiashiria hiki.

Uzalishaji nchini Urusi

Uzalishaji wa ndani wa nanotubes za kaboni uko nyuma sana kwa nchi zingine. Kwa kweli, yote inategemea ubora wa utafiti unaofanywa katika eneo hili. Hakuna rasilimali za kutosha za kifedha zilizotengwa hapa kwa ajili ya kuunda vituo vya sayansi na teknolojia nchini. Watu wengi hawakubali maendeleo ya nanoteknolojia kwa sababu hawajui jinsi inavyoweza kutumika katika tasnia. Kwa hivyo, mabadiliko ya uchumi kwa njia mpya ni ngumu sana.

Kwa hiyo, Rais wa Urusi alitoa amri inayoonyesha njia za maendeleo kwa maeneo mbalimbali ya nanoteknolojia, ikiwa ni pamoja na vipengele vya kaboni. Kwa madhumuni haya, programu maalum ya maendeleo na teknolojia iliundwa.

Ili kuhakikisha kwamba pointi zote za utaratibu zilifanyika, kampuni ya Rusnanotech iliundwa. Kiasi kikubwa kutoka kwa bajeti ya serikali kilitengwa kwa uendeshaji wake. Ni yeye ambaye anapaswa kudhibiti mchakato wa maendeleo, uzalishaji na utekelezaji wa viwanda wa nanotubes za kaboni. Kiasi kilichotengwa kitatumika katika kuundwa kwa taasisi mbalimbali za utafiti na maabara, na pia itaimarisha kazi iliyopo ya wanasayansi wa ndani. Fedha hizi pia zitatumika kununua vifaa vya ubora wa juu kwa ajili ya utengenezaji wa nanotubes za kaboni. Inafaa pia kutunza vifaa ambavyo vitalinda afya ya binadamu, kwani nyenzo hii husababisha magonjwa mengi.

Kama ilivyoelezwa hapo awali, shida nzima ni kuongeza pesa. Wawekezaji wengi hawataki kuwekeza katika maendeleo ya kisayansi, hasa kwa muda mrefu. Wafanyabiashara wote wanataka kuona faida, lakini nanodevelopment inaweza kuchukua miaka. Hii ndio inawafukuza wawakilishi wa biashara ndogo na za kati. Kwa kuongeza, bila uwekezaji wa serikali haitawezekana kuzindua kikamilifu uzalishaji wa nanomaterials.

Tatizo jingine ni ukosefu wa mfumo wa kisheria, kwa kuwa hakuna kiungo cha kati kati ya viwango tofauti vya biashara. Kwa hiyo, nanotubes za kaboni, uzalishaji ambao hauhitajiki nchini Urusi, hauhitaji fedha tu, bali pia uwekezaji wa akili. Hadi sasa, Shirikisho la Urusi ni mbali na nchi za Asia ambazo zinaongoza katika maendeleo ya nanotechnologies.

Leo, maendeleo katika sekta hii yanafanyika katika vyuo vya kemikali vya vyuo vikuu mbalimbali huko Moscow, Tambov, St. Petersburg, Novosibirsk na Kazan. Wazalishaji wakuu wa nanotubes za kaboni ni kampuni ya Granat na mmea wa Tambov Komsomolets.

Pande chanya na hasi

Miongoni mwa faida ni mali maalum ya nanotubes ya kaboni. Wao ni nyenzo za kudumu ambazo hazianguka chini ya matatizo ya mitambo. Kwa kuongeza, wanafanya kazi vizuri katika kupiga na kunyoosha. Hii ilifanywa shukrani iwezekanavyo kwa muundo wa sura iliyofungwa. Matumizi yao sio tu kwa tasnia moja. Mirija hiyo imepata matumizi katika tasnia ya magari, vifaa vya elektroniki, dawa na nishati.

Hasara kubwa ni athari mbaya kwa afya ya binadamu.

Chembe za nanotubes zinazoingia ndani ya mwili wa binadamu husababisha tukio la tumors mbaya na kansa.

Jambo muhimu ni ufadhili wa tasnia hii. Watu wengi hawataki kuwekeza kwenye sayansi kwa sababu inachukua muda mwingi kupata faida. Na bila kufanya kazi kwa maabara ya utafiti, maendeleo ya nanoteknolojia haiwezekani.

Hitimisho

Nanotubes za kaboni zina jukumu muhimu katika teknolojia za ubunifu. Wataalam wengi wanatabiri ukuaji wa tasnia hii katika miaka ijayo. Kutakuwa na ongezeko kubwa la uwezo wa uzalishaji, ambayo itasababisha kupungua kwa gharama ya bidhaa. Kwa kupungua kwa bei, zilizopo zitakuwa na mahitaji makubwa na zitakuwa nyenzo za lazima kwa vifaa na vifaa vingi.

Kwa hivyo, tuligundua bidhaa hizi ni nini.

Kama inavyojulikana, nanotubes za kaboni (CNTs), kwa sababu ya mali zao zisizo za kawaida za fizikia, zinaahidi sana kwa matumizi anuwai. Nyenzo hii mpya imethibitisha ufanisi wake kama chanzo cha uzalishaji wa elektroni baridi, kama msingi wa nyenzo mpya zilizo na sifa bora za mitambo, kama sorbent ya vitu vya gesi na kioevu, nk.

Hata hivyo, hadi sasa vifaa na vifaa vipya kulingana na CNTs hazijatumiwa sana, ambayo inahusishwa na gharama kubwa na tija ya chini ya mbinu zilizopo za kuzalisha CNTs kwa wingi wa macroscopic. Njia hizi, kwa kuzingatia taratibu za uso wa uvukizi wa joto wa grafiti au uwekaji wa mvuke wa misombo iliyo na kaboni kwenye uso wa kichocheo cha chuma, ina sifa ya uzalishaji mdogo, unaolingana na eneo la uso linalofanya kazi.

Ongezeko kubwa la tija ya usanisi wa CNT inaweza kupatikana kwa kubadili usanisi wa wingi. Katika kesi hiyo, tija ya mchakato wa awali ni sawia si kwa uso, lakini kwa kiasi cha chumba cha majibu na inaweza kuzidi kwa kiasi kikubwa sifa ya thamani ya mbinu za jadi za awali ya CNT. Mpito kama huo ulifanyika hivi majuzi na kikundi cha wafanyikazi katika moja ya vyuo vikuu vya Kanada (Université de Sherbrooke), ambao walitumia plasma ya joto ya plasmatron ya masafa ya juu kutoa CNTs kwa idadi kubwa kutoka kwa kaboni iliyotawanywa laini.

Mpango wa usakinishaji wa kutengeneza CNTs kutoka kwa kaboni iliyotawanywa vizuri kwenye plasma

Ufungaji ni tochi ya plasma ya aina ya induction inayozalishwa kibiashara, inayoendeshwa na chanzo mbadala cha 60 kW kinachofanya kazi kwa mzunguko wa 3 MHz. Mwenge wa plasma ni pamoja na: chumba cha plasma kilicho na kipenyo cha ndani cha 5 cm, kipenyo cha cm 50 na kipenyo cha ndani cha cm 15, chumba cha baridi cha haraka kilicho na sehemu mbili za silinda za 20 na 30 cm na kipenyo cha ndani. ya cm 15.

Mitiririko mitatu ya gesi huru hutolewa kwa eneo la tochi ya plasma - axial, pembeni na poda ya kubeba. Mtiririko wa kwanza hupewa mwendo wa mzunguko, kuhakikisha uimarishaji wa tochi ya plasma, na pili, laminar, hutumikia kulinda kuta za reactor kutoka kwa gesi ya moto. Mfumo wa kuchuja, ambao hutumikia kutenganisha nyenzo zilizo na CNTs kutoka kwa vipengele vya tete, ina vipengele vitatu vya chujio na kipenyo cha cm 6 na urefu wa 85 cm kulingana na keramik ya porous yenye kipenyo cha pore ya microns 2.8.

Ni chembe za ukubwa< 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.

Uchunguzi uliofanywa kwa kutumia thermogravimetry na spectroscopy ya Raman umeonyesha kuwa, chini ya hali bora, tija ya usanisi wa poda iliyo na hadi 40% ya CNTs zenye ukuta mmoja hufikia 100 g/saa. Katika kesi hii, hali bora zinalingana na heliamu safi, chembe za kaboni na ukubwa wa 75 nm na kiwango cha kulisha 1.5-2 g / min. Viashiria hivi kwa kiasi kikubwa huzidi matokeo yaliyopatikana kwa kutumia arc ya umeme na mbinu za leza za usanisi wa CNT, wakati ubora wa nanotubes ni duni kidogo kuliko zile zilizosanifiwa na njia ya leza. Ikumbukwe kwamba kaboni iliyotawanywa vizuri ni nafuu zaidi kuliko grafiti ya fuwele, hivyo nanotubes zilizopatikana katika plasma kutoka kwa unga ni nafuu zaidi.