<<
>>

Получение углеродных наночастиц - фуллере- нов и нанотрубок

  Конец ХХ века ознаменовался открытием новых форм углерода — фуллеренов и нанотрубок. Научная и практическая значимость этих открытий настолько велика, что они даже были отмечены Нобелевской премией.
А ведь найдены были эти уникальные вещества в обычной саже, тысячелетиями получаемой при сгорании любых углеродсодержащих веществ — древесины, графита, природного газа и т.п.!

Сегодня разработано много методов получения углеродных наноструктур с разными размерами и свойствами, но суть всех методов одна: нанотрубки и фуллерены образуются в результате химических превращений углеродсодержащих материалов в

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы

условиях повышенных температур. Мы рассмотрим несколько наиболее популярных методов.

Электродуговое распыление графита

Это самый распространенный метод, разработанный Креч- мером. Именно так японский ученый Сумио Иджима впервые получил нанотрубки в 1991 году.

Суть метода такова: в камере, заполненной инертным газом, между графитовыми электродами горит электрический разряд, ионизирующий атомы газа. Катод и стенки камеры охлаждаются при помощи воды или жидкого азота.

При токе дуги порядка 100 А, давлении газа в несколько раз меньше атмосферного и напряжении на электродах 25-35В температура образующейся между электродами плазмы достигает 4000К. При такой температуре поверхность графитового анода интенсивно испаряется. В результате резкого перепада температур атомы углерода уносятся из горячей в более холодную область плазмы8 и конденсируются в осадок на стенках камеры и поверхности катода.

Рассматривая этот осадок в электронный микроскоп, можно увидеть наряду с сажей и графитом новые структуры — фул- лерены и нанотрубки. При этом часть осадка, содержащая графит, сажу, и фуллерены осаждается на холодные стенки камеры, а часть, содержащая графит и нанотрубки - на катод.

Лазерное испарение графита

В этом методе испаряемый лазером графит конденсируется на охлаждаемом коллекторе. Графитовая мишень расположена в длинной кварцевой трубке внутри цилиндрической печки с температурой 1000°С.

Вдоль трубки с невысокой скоростью прокачивается буферный газ (гелий или аргон). Мишень облучают лазером с энергией 140 мДж, длительностью импульса 8 нс и диаметром

8 Плазма - ионизированный газ, в котором атомы теряют несколько внешних электронов и превращаются в положительно заряженные ионы.

www.nanonewsnet.ru

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

сфокусированного пучка около 1,6 мм. Продукты термического распыления графита уносятся из горячей области и осаждаются на поверхности охлаждаемого коллектора. В получаемом осадке помимо наночастичек графита обнаруживаются также фуллерены и нанотрубки.

Важной особенностью лазерного метода является высокая чувствительность характеристик синтезируемых нанотрубок к параметрам лазерного излучения. В частности диаметра нанотрубок прямо зависит от мощности излучения. Это дает возможность получения нанотрубок с заданными структурными параметрами. К недостаткам метода следует отнести его относительно невысокую производительность и трудность масштабирования.

Сегодня получение нанотрубок в небольших количествах, достаточных для изучения, стало обычным делом. Проблема теперь состоит в снижении их себестоимости и получении в промышленных масштабах, поскольку рассмотренные выше методы не позволяют достичь этого. С этой точки зрения интересен третий метод, разработанный российскими учеными под руководством М.М. Томишко.

Метод химического осаждения из пара

Этот наиболее практичный и массовый способ получения углеродных нанотрубок основан на термохимическом осаждении углеродсодержащего газа на поверхности горячего металлического катализатора. Данный метод также получил название метода каталитического разложением углеводородов.

Углеродсодержащая газовая смесь (обычно смесь ацетилена С2^ или метана CH4 с азотом) пропускается сквозь кварцевую

трубку, помещенную в печь пни темпенатуне около 700-1000°С. В трубке находится керамический тигель9 с катализатором — металлическим порош-

ком. Разложение углеводорода, происходящее в результате химической реакции атомов газа с атомами металла, приводит к образованию на поверхности катализатора фуллеренов и нанотрубок с внутренним диаметром до 10 нм и длиной до нескольких десятков микрон. Геометрические параметры нанотрубок в существенной степени определяются условиями протекания процесса (времени, температуры, давления и сорта буферного газа и пр.), а также степенью дисперсности и сортом катализатора.

Рис 75. Так под микроскопом выглядият нанотрубки, полученные химическим осаждением из пара

Получение нанотрубок и фуллеренов методом химического парового осаждения особенно интенсивно развивается в последнее время, так как позволяет получать большое количество одинаковых нанотрубок на поверхности шаблона. Это открывает путь крупномасштабному получению фуллеренов и нанотрубок и созданию на их основе промышленного производства разнообразной нанопродукции.

Как видно из описания, при всех методах получения фуллеренов и углеродных нанотрубок конечный материал содержит часть шлака — сажу, частицы аморфного графита, а в случае использования катализаторов — частицы металлов. Для повышения чистоты полученного продукта используют различные методы очистки — как механические (фильтрация, обработка ультразвуком, центрифугирование), так и химические (промывание в химически активных веществах, нагревание и пр.). Сегодня уже возможно получение макроскопических количеств [7]

фуллеренов и нанотрубок (до нескольких литров) практически из любого углеродсодержащего газа (например, обычного природного газа), а ученые пытаются найти наиболее выгодный экономически метод, который позволит получать их пусть не массово, но с минимумом примесей.

Надо сказать, что метод получения наноструктур играет очень важную роль. Он влияет не только на свойства наноструктуры, но и на время ее жизни — то есть период, в течение которого частица способна эти уникальные свойства проявлять. По истечении этого срока наночастицы либо окисляются, либо агрегируются в микрочастицы и приобретают свойства компактных веществ.

Так, например, в зависимости от метода получения время жизни наночастиц серебра может варьироваться в пределах от часов до нескольких месяцев. Ученые концерна “Наноиндустрия” под руководством Е.М. Егоровой развивают уникальный биохимический метод получения наночастиц серебра, благодаря которому они проявляют свою активность в течение целого года. Наночастицы получают восстановлением ионов металлов до атомов в обратных мицеллах, представляющих собой микроскопические камеры из молекул и ионов. Образовавшимся в такой камере атомам не остается ничего другого, как объединяться в наночастицы, а оболочка мицеллы предохраняет полученные частицы от слипания и нежелательных реакций.

Рис 76 Фотоизображение наночастиц серебра, полученных биохимическим синтезом в обратных мицеллах

ГЛАВА 3. Нанохимия и наноматериалы

<< | >>
Источник: Мария Рыбалкина. НАНОТЕХНОЛОГИИдля всех. 2005

Еще по теме Получение углеродных наночастиц - фуллере- нов и нанотрубок:

  1. Глава 2. Использование нанотехнологий в пищевой промышленности
  2. Кристаллизация объемно-аморфизирующихся сплавов
  3. Конструкционные и функциональные материалы
  4. Индикаторы развития институционально-технологической инфраструктуры
  5. ПРЕДИСЛОВИЕ
  6. РАЗДЕЛ 4 ФУЛЛЕРЕНЫ, ФУЛЛЕРИТЫ, НАНОТРУБКИ
  7. Методы получения фуллеренов, нанотрубок
  8. Взаимодействия ускоренных заряженных частиц с резистивными материалами
  9. Химические методы в разработке наноматериалов
  10. Объекты нанохимии. Классификации наночастиц
  11. Получение углеродных наночастиц - фуллере- нов и нанотрубок
  12. Примеры уникальных свойств некоторых наночастиц