Санкт-Петербургский Университет Технологии и Дизайна Кафедра наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов им. А. И. Меоса Углеродные нанотрубки Доктор технических наук, профессор Александрович ЛЫСЕНКО Санкт-Петербург 2010
Историческая справка § 1952 – открытие нанотрубок сотрудниками ИФХЭ Л. В. Радушкевичем и В. М. Лукъяновичем ( «Журнал физической химии» т. 26, № 1, стр. 88 – 95) § 1953 - Дж. Гибсон (J. A. E. Gibson) наблюдал нанотрубки (статья «Early Nanotubes? » , опубликованная в Nature 1992 г. ) § 1974 - группа японских ученых под руководством М. Эндо (M. Endo) наблюдали углеродные нанотрубки, § 1991 – «открытие» углеродных нанотрубок Иджимой, Япония (* признанное Мировым сообществом) § 1981 – создание Г. Биннингом и Х. Рорером первого сканирующего туннельного микроскопа, за что они были удостоены Нобелевской премии в 1986 году, § 1986 – создание первого атомно-силового микроскопа, Фотографии углеродных нанотрубок, обнаруженных в 1952 г. сотрудниками ИФХЭ Л. В. Радушкевичем и В. М. Лукъяновичем Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 2
Получение углеродных нанотрубок Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 3
Методы синтеза углеродных нанотрубок Лазерное испарение графита 1 – инертный газ; 2 – печь; 3 – охлаждаемый медный коллектор; 4 – охлаждающая вода; 5 – графитовая мишень Дуговой метод 1 – графитовый анод; 2 – осадок, содержащий УНТ; 3 – графитовый катод; 4 – устройство для автоматического поддержания межэлек тродного расстояния на заданном уровне; 5 – стенки камеры Каталитическое осаждение Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 4
Гравиметрический метод исследования кинетики процесса образования УНМ Зависимость удельного выхода УНТ – К от времени пиролиза – t Установка для изучения кинетики процесса образования УНТ. 1 -реактор; 2 -нагревательный элемент; 3 -теплоизоляция; 4 -термопара; 5 -лодочка с катализатором; 6 -нить подвеса; 7 -насадка; 8 -торсионные весы; 9 -измеритель-регулятор; 10 -ротаметры; 11 -штуцер для подачи газов. Зависимость удельного выхода УНТ –К и производительности реактора – Q от толщины слоя катализатора – h Зависимость удельного выхода УНТ – К от температуры – T Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 5
Исследование кинетики синтеза УНМ в лабораторном реакторе 1 – корпус ; 2 – экран; 3 – трубка подачи углеводорода; 4 – датчик; 5 – нагревательный элемент; 6 – керамический фланец; 7 узел уплотнения; 8 – блок управления; 9 – кювета с катализатором Кинетическая кривая процесса Z-комплексная проводимость Фотография микроструктуры Электрическая схема прибора Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 6
Определение рациональных значений основных технологических параметров синтеза УНМ Распределение массы катализатора по сечению Лабораторный реактор периодического действия 1 – корпус аппарата; 2 – электрообогреватель; 3 – теплоизоляция; 4 – кожух; 5 – днище; 6 – крышка; 7 – термопара; 8 – штуцер для ввода углеродсодержащего газа; 9 – штуцер для вывода отработанных газов; 10 – слой материала; 11 – подложка; 12 – распределитель газовой смеси. Зависимости удельного выхода УНМ –К от времени пиролиза Пилотный реактор зависимостей массы полученного УНМ – K от температуры пиролиза Фотография пилотного реактора Зависимость удельного выхода УНМ – К от расхода пропан-бутана – Q Лабораторный реактор Зависимости удельного выхода УНМ – К и производительности реактора – Q, от толщины слоя катализатора – h Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 7
Реактор с виброожиженным слоем катализатора 1 – корпус 2 – электрический нагреватель 3 – конический раструб 4 – крышка 5 – термопара 6 – патрубок подачи газа 7 – патрубок отвода газа 8 – вибростол Фотография 3 d модель Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 8
Экспериментальные исследования в реакторах с виброожиженым слоем Зависимость удельного выхода продукта от массы загружаемого катализатора при различных расходах газа и времени проведения процесса 30 мин Зависимость удельного выхода продукта от расхода газа при различной массе катализатора и времени проведения процесса 30 мин Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 9
Газофазное химическое осаждение углерода в процессе каталитического пиролиза 1 – корпус 2 – экран 3 – нагревательный элемент 4 – диск подложка 5 – корпус камеры осаждения 6 – слой катализатора 7 – газораспределитель 8 – штуцер отвода продуктов пиролиза 9 – штуцер подвода углеродсодержащих газов 10 – распылитель катализатора 11 – скребок 12 – сборник продукта Структура Ni. O /Mg. O катализатора, полученного термическим способом Углеродсодержащая смесь – пропан (С 3 Н 8) бутан (С 4 Н 10 ) Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 10
Масштабирование конструкций реактора емкостного типа с неподвижным слоем катализатора Опытно промышленный Лабораторный Пилотный Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 11
Технологическая схема производства УНМ «Таунит» 1 исходные компоненты катализатора; 2 смеситель; 3 ультразвуковой механоактиватор; 4 аппарат пульсирующего горения (АПГ); 5 циклон; 6 печь; 7 измельчитель (аппарат с вихревым слоем ферромагнитных частиц АВС); 8 классификатор; 9 гранулятор; 10 дозатор катализатора; 11 реактор синтеза УНМ; 12 блок фильтров; 13 смеситель газов; 14 разделитель газовой смеси; 15 устройство выгрузки УНМ; 16 аппарат ки слотной отмывки УНМ; 17 аппарат ультразвуковой отмывки УНМ; 18 нейтрализатор кислоты; 19 сушилка; 20 вакуумная печь; 21 классификатор готового продукта Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 12
Основное оборудование технологической схемы производства УНМ «Таунит» Комплекс оборудования для кислотной очистки Аппарат вихревого слоя для активации катализатора и диспергирования УНМ Гранулятор Модернизированная конструкция реактор синтеза Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 13
Свойства углеродных нанотрубок Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 14
Морфология нанотрубок ТЭМ СЭМ Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 15
Морфология нанотрубок Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 16
Ориентированные нанотрубки на подложках Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 17
Термические свойства нанотрубок Термограмма: 1 – УНМ китайского производства; 2 – УНМ «Таунит» Зависимость ρv нанодисперсий от температуры термообработки Зависимость количества кислорода на поверхности наночастиц от времени их экспозиции Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 18
Химически-активные группы на поверхности УНТ 533. 8 e. V C=O, OC=O 531. 8 e. V -OH, C=O, O-C=O 530. 4 e. V Ophysically absorbed РФЭС-спектр ТУ через 1 месяц экспозиции на воздухе 533. 2 e. V C-O-C, C-OOH, C-OH Кислородсодержащие группы на поверхности углерода, температуры их отщепления 531. 8 e. V Isolated –OH, C=O, O-C=O 530. 6 e. V Ophysically absorbed РФЭС-спектр УНТ через 1 месяц экспозиции на воздухе Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 19
Морфология углеродных нанодисперсий ТУисх УНТ исх Методы диспергирования: ü ультразвуковая обработка, ü электродуговой разряд а) б) Суспензии разных навесок УНТ в диметилформамиде а) сразу после диспергирования, б) через 4 суток после диспергирования ü Ультразвуковая обработка позволяет УНТ после воздействия ультразвука выделить наночастицы из агломератов и получить их устойчивые суспензии в растворителях и растворах полимеров, üВоздействие электродугового разряда приводит к агломерированию наночастиц и объединению их в плотные волокнистые микроструктуры УНТ после воздействия электрической дуги * ТУ – технический углерод, УНТ – углеродные нанотрубки Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 20
Окислительная модификация § Обработка азотной кислотой, § Термообработка в присутствии окислителей а, б – исходные нанотрубки с –нанотрубки с частицами оксида железа Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 21
Углеродные нанотрубки после термообработки Фотографии* и рентгеновские спектры образцов после термообработки при 450 ° 2 часа, Фотографии* и рентгеновские спектры образцов после термообработки при 700 ° 2 часа, * Фотографии получены с помощью туннельной микроскопии Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 22
Структура углеродных трубок после термообработки Фотографии и рентгеновские спектры образцов после термообработки при 850 ° 2 часа, Наночастицы железа на поверхности нанотрубок после термообработки при 850 ° 2 часа, Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 23
Вид коротких нанотрубок Короткие нанотрубки после химического диспергирования Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 24
Свойства дисперсий нанотрубок Гранулометрический состав нанотрубок после химического диспергирования ИК-спектр нанотрубок до и после химического диспергирования Дисперсии нанотрубок а) в воде, б) в спирте Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 25
Другие виды модификаций нанотрубок Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 26
Виды и свойства нанотрубок § Все УНТ типа «кресло» имеют металлическую проводимость, § Металлическую проводимость также имеет каждая третья УНТ семейства (n, m). Нанотрубки с различной хиральностью Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 27
Физико-химические свойства УНТ § УНТ могут быть проводниками, либо полупроводниками, § УНТ прекрасные эмиттеры электронов, § УНТ стабильны при высоких температурах, § УНТ имеют высокую теплопроводность, § относительно химически инертны. Кафедра Наноструктурных, волокнистых и композиционных материалов имени А. И. Меоса слайд 28
Скачать презентацию Санкт-Петербургский Университет Технологии и Дизайна Кафедра наноструктурных, волокнистых
5 часть Нанотрубки Лысенко.ppt