نانو کربن(نانو لوله کربنی)


نانو کربن

همه چیز درباره نانو کربن

  1. کاربرد ها 

  2. ساختار

  3. مشخصات 

  4. روش تولید 

کاربرد های نانو کربن

به خوبی ثابت شده است که CNM‌های معمولی تولید شده از هیدروکربن‌های پتروشیمیایی می‌توانند در زمینه‌های مختلف مانند جذب، ذخیره‌سازی انرژی و کاتالیست استفاده می‌شوند. نانومواد کربنی زیست‌‌پایه نیز می‌توانند در زمینه‌های مشابه استفاده شوند. علاوه بر این، به علت هزینه کم، تجدیدپذیر بودن و خواص منحصر به فرد این مواد، استفاده از آن‌ها رو به افزایش است.

یکی از کاربردهای نانو کربن، استفاده به عنوان جاذب می‌باشد. حذف مؤثر آلاینده‌ها مانند یون‌های فلزات سنگین، رنگ‌ها، ارگانیسم‌ها و مواد مغذی از محلول‌های آبی، عمدتاً به پیچیدگی مواد، تعامل الکترواستاتیک، تبادل یونی و رسوبات بستگی دارد. نانومواد کربنی زیست‌‌پایه دارای سطح ویژه بالا و گروه‌های عاملی فراوانی هستند و به عنوان جاذب‌های بسیار کارآمد استفاده می‌شوند. هم‌چنین این مواد به دلیل رسانایی بالا و پذیرش الکترون، به عنوان فوتوکاتالیست به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

نانومواد کربنی زیست‌‌پایه پتانسیل بالایی جهت استفاده در صنایع الکتروشیمیایی دارند، زیرا آن‌ها دارای ساختار سه بعدی منحصر به فرد، گروه‌های عاملی سطحی فراوان، سطح ویژه و تخلل بالایی هستند. آن‌ها عمدتاً به عنوان الکترود در ابر مخازن ذخیره انرژی، باتری‌های لیتیمی و سلول‌های سوختی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ذخیره‌سازی گازهای هیدروژن و متان جز سایر کاربردهای نانومواد کربنی زیست‌‌پایه محسوب می‌شود که با توجه به انواع CNMها و روش‌های سنتز آن‌ها قابلیت تولید دارند.

نانومواد کربنی زیست‌پایه با توجه به مزایای فراوانی که نسبت به گونه‌های شیمیایی مشابه دارند، می‌توانند به روش‌های مختلف سنتز شوند و در موارد متعددی به کار گرفته شوند. با سیاست‌گذاری صحیح در این حوزه، می‌توان پس از آزمایش‌های فراوان و بررسی چالش‌های موجود، از این منابع موجود در کشور استفاده نمود.

ساختار نانو کربن

در سال ۱۹۹۱ دانشمندی به نام سومیو ایجیما  به طور کاملاً اتفاقی، ساختار دیگری از کربن را کشف و تولید کرد که خواص منحصر به فردی دارد. وی در ابتدا این ساختار را نوعی فولرن تصور نمود که در یک جهت کشیده شده است. اما بعدها متوجه شد که این ساختار، خواص متفاوتی از فولرن ها دارد و به همین دلیل آن را، نانولوله ی کربنی نامید(نانو کربن)

در یک نانولوله ی کربنی، اتم های کربن در ساختاری استوانه ای آرایش یافته اند. یعنی یک لوله ی توخالی که جنس دیواره اش از اتم های کربن است. آرایش اتم های کربن در دیواره ی این ساختار استوانه ای، دقیقاً مشابه آرایش کربن در صفحات گرافیت است. در گرافیت، شش ضلعی های منظم کربنی در کنار یکدیگر صفحات گرافیت را می سازند.  این صفحات کربنی بر روی یکدیگر انباشته می شوند و هر لایه از طریق پیوندهای ضعیف واندوالس به لایه زیرین متصل می شود.

هنگامی که صفحات گرافیت در هم پیچیده می شوند، نانولوله های کربنی را تشکیل می دهند. در واقع، نانولوله ی کربنی، گرافیتی است که به شکل لوله در آمده باشد

نانولوله های کربنی به دو دسته کلی نانولوله های کربنی تک دیواره  و نانولوله های کربنی چند دیواره  تقسیم می شوند. چنانچه نانولوله کربنی فقط شامل یک لوله از گرافیت باشد، نانولوله تک دیواره و اگر شامل تعدادی از لوله های متحد المرکز باشد نانولوله  چند دیواره نامیده می شود

مشخصات نانو کربن 

ساختار تو خالی نانو تیوب سبک بودن آن را به دنبال دارد.چگالی نوع چند دیواره ای ۱/۸و نوع تک دیواره ای ۰/۸ است.استحکام ویژه آنها حداقل ۱۰۰ برابر فولاد است.نانو تیوبها مقاومت خوبی در برابر مواد شیمیایی داشته و از پایداری گرمایی بالای برخوردارند .اکسایش نانو تیوب از دو سر تیوب آغاز می شود.این عمل باعث باز شدن تیوب خواهد شد.انتقال الکترون در نانو تیوبها منحصر به فرد است و در جهت محور شدیدا رسانا هستند. رسانایی گرمایی آنها در جهت محوری نیز بالا است

نانو تیوبها از لحاظ کاتالیزوری فعال می باشند. نانو تیوبها خاصیت مویینگی بالایی دارند و می توانند گازها و مایعات را در خود جای دهند از نانو تیوبهای چند دیواره ای به عنوان الکترود در واکنشهای بیوالکترو شیمیایی استفاده شده است.نانو تیوبها می توانند واکنشهای احیای اکسیژن را کاتالیز کنند. سرعت انتقال الکترون در نانو تیوب بیشتر از الکترودهای کربنی است.ذخیره هیدروژن در داخل حفره های نانو تیوبهای تک دیواره ای امکان پذیر خواهد بود

روش تولید نانو کربن

در سال ۱۹۹۱ توسط پژوهشگر ژاپنی به نام سومیو ایجیما که متخصص میکروسکوپ آزمایشگاه NECبود ،آزمایشی به وقوع پیوست که تا به حال سهم به سرتئی در توسعه نانو تکنولوژی داشته است. وی که به دستکاری وتغییر روش های ارائه شده توسط محققین موسسه ی فیزیک هسته ای ماکس پلانگ جهت تولید فولرین مشغول بود، دو الکترد گرافیت را به جای اتصال در فاصله کمی از یکدیگر قرار داد وبین آنها قوس الکتریکی برقرار کرد. این آزمایش سبب شد که وی به طور کاملا اتفاقی نانو تیوب های کربنی را کشف کند. اهمیت روز افزون این مواد در صنعت به دلیل خواص مکانیکی والکتریکی جالب ومتنوع آنها است .پیش بینی می شود که این مواد بتوانند در بسیاری از ساختار های نانو متری آینده به کار روند. دو نوع ساختار متفاوت نانو تیوب کربن وجود دارد،که از بقیه اشکال آن تا حدودی متمایز است:

۱) نانو لوله تک جداره Single Wall

۲) نانو لوله چند جداره Multi Wall

این دو مورد وخصوصا نوع تک جداره آن صرفا به دلیل سادگی توجه پژوهشگران بیشتری را به خود جلب کرده است.نانو لوله تک جداره از یک ورقه ی گرافیت پیچیده به صورت استوانه به وجود آمده که دو سر آن به حالت کروی مسدود است.تفاوت نوع چند جداره به وجود آمده که درون هم قرار دارند. در میان انواع روشهای تولید نانو تیوب کربنی تک جداره ،سه روش از اهمیت وارزش بالاتری بر خوردار دارند. این روشها عبارتند از

  • روش قوس الکتریکی

روش قوس الکتریکی نانو کربن همان روشی است که توسط سومیو ایجمیا برای اولین بار به کار برده شد،بااین وجود مقدار محصول به وجود آمده در این روش بسیار پایین است.ولی در روش رسوب گذاری بخار شیمیایی می توان محصول بیشتری را به دست آورد.و به همین دلیل پیش بینی میشود که در آینده برای تولید انبوه نانو لوله ها در مقیاس صنعتی به کار رود.

در روش قوس الکتریکی از دو الکترد گرافیت استفاده میشود وآنها را درفاصله کمی از یکدیگر قرار می دهند به خاطر اینکه خلوص بدست آمده در روش ایجیمیا بسیار پایین بود Journet وهمکار انش در سال ۱۹۹۷ به دستکاری متد بکار رفته توسط ایجما پرداختند وبا بهینه کردن پارامتر های تولید توانستند نانو لوله های تک دیواره با خلوص وراندمان بالا بدست آورند .

آنها از آند گرافیتی با قطر ۱۶ وطول ۴۰ میلی متر وهمچنین الکترود دیگری با قطر ۱۶ وطول ۱۰۰ میل متر به عنوان کاتد استفاده کردند ونیز برای بدست آوردن نانو لوله Single Wall میان اند کاتالیست Ni,Yپرگردید. عمود بودن یا در امتداد هم قرار داشتن کاتد وآند تاثیر چندانی در سنتز ندارد.

برای اجرای قوس الکتریکی باید محیط اطراف دستگاه را ابتدا خلا کرده وسپس در فشاری پایین معمولا بین ۲۶۰ تا ۳۶۰ torr از هلیوم ویا آرگون که گازهای بی اثر هستند پر کنیم .یکی از عوامل مهم در سنتز نانو لوله ها به روش قوس الکتریکی پایداری قوس الکتریکی اعمال شده ونیز مقدار شدت جریان وولتاژ است که می تواند در مقدار محصول بدست آمده موثر باشد.

در صورتی که محصول مورد نظر نانو تیوب های Multi Wallباشد دیگر اجباری در استفاده از کاتالیزگرها نداریم با اینکه محصول به دست آمده توسط روش قوس الکتریکی به خاطر محدود بودن وسایل آزمایش بسیار کم است، این روش توسط بسیاری از پژوهشگران اجرا می شودف زیرا مقدارمحصول برای یک کار تحقیقی روی نانو لوله اهمیت خاصی ندارد بلکه آنچه مهم است خلوص محصول وکامل بودن ساختار آن است .

که روش قوس الکتریکی تا حد زیادی این مشکل را بر طرف میکند واما مشکل دیگردر روش قوس الکتریکی تکنیک خلا است که در بسیاری از آزمایشگاههای سطح پایین امکان آن وجود ندارد ونیز استفاده از هلیم وآرگون که هر دو گازهای گرانی هستند، هر چند در بعضی از روشها از گاز هیدروژن استفاده شده است ولی این مورد تاثیر چندانی نداشته ومشکل بوجود آمده دیگر امکان انفجار وخطرات جانبی هیدروژن است.

پایداری قوس الکتریکی عامل مهمی در سنتز به شمار می آید با این وجود استفاده از یک منبع تغذیه ی DCمیتواند تاثیر خوبی در سنتز داشته باشد وآزمایشات نشان داده است هر چند اندازه ی شدت جریان نسبت به اختلاف پتانسیل بیشتر باشد شرائط بهتر است ولی رسیدن به چنین جریان هائی بسیار مشکل است.

  • روش Magnetic Field:

یکی از موضوعات وپارامترهای مهم برای پژوهشگرانی که می خواهند از نانو لوله ها استفاده کنند خلوص محصول است وهمچنین اینکه در سطح مقدار بیشتری نانو لوله قرار گرفته باشد، تا بتوانند آزمایشهای کیفی خود را با دقت بالاتری انجام دهند.

در روش قوس الکتریکی هنگاه ایجاد قوس در اطراف کاتد وآند به دلیل اختلاف پتانسیل وجریان، دما تا حد قابل توجهی بالا می رود ،این مقدار به اندازه ای است که گرافیت (در حالت کلی کربن ) رو ی آند بخار شده وسپس روی کاتد می نشیند.از آنجا که در اطراف کاتد وآند گاز قرار دارد در نتیجه این افزایش دما بر گاز نیز اثر گذاشته ودمای آنرا افزایش می دهد . ودر نتیجه در اطراف محیطی نه به شکل گاز بلکه به شکل حالت چهارم ماده پلاسما به وجود آمده است .

دلیل اینکه پلاسما را حالت جدیدی از ماده می نامیم این است که از ترکیب یون های مثبت ومنفی اتم های خنثی بوجود آمده است .

با افزایش دما تعداد اتمهای خنثی کاهش یافته در حقیقت میزان بارهای آزاد دما تعداد اتمهای خنثی کاهش یافته در حقیقت میزان بارهای آزاد افزایش می یابد .اما نکته مهم در پلاسما اثرات میدان مغناطیسی بر آنهاست .به وسیله میدان مغناطیسی می توان پلاسما را در یک منطقه محصور کرد.این جلوگیری از برخورد پلاسما با دیواره طرف که در راکتور که در راکتور گداخت گرمائی از آن استفاده میشود می تواند در سنتز نانو لوله ها بسیار موثر واقع شود.

فرض کنید اطراف الکترود های گرافیتی را با یک میدان مغناطیسی حاصل از چها رآهن ربا احاطه کنیم ،در این صورت وجود میدان سبب می شود پلاسما ی وجود آمده به دیوارها برخورد نکند وفقط در محدوده ی گرافیتها دما افزایش می یابد که این امر باعث کمک به تبخیر بهتر وسریعتر آند می شود ودر کل سنتز حالت بهتری به خود می گیرد.در این مورد دیگر جنس طرف اهمیت خاصی ندارد.

  • روش Under de-ionized Water:

برخی از محققان در جهت تلاش برای حذف تکنیک خلا وهم چنین گازهای گران قیمت هلیوم وآرگون به روشهای جدیدی دست یافته اند، از این موارد می توان به قرار دادن الکترودها در نیتروژن مایع اشاره کرد، که خود پر خطر است.

آب چون یکی از موادی است که به فور در طبیعت یافت میشود ،می تواند به راحتی مورد استفاده قرار گیرد.

البته آبی که در ساخت نانو لوله ها استفاده میشود،از نوع de- ionized یا یون زدوده است که از عبور جریان به مقدار زیادی جلوگیری می کند .این آب که معمولا در صنعت میکرو الکترونیک کاربرد زیادی دارد را می توان به راحتی با استفاده از دستگاههای (رزین)در آزمایشگاههای شیمی بدست آورد ومعمولا نیروگاهها از این آب استفاده می کنند. خصوصیت جالب در مورد آب یون زدوده این است که خاصیت عبور ندادن جریان در آن براحتی از دست نمی رود .

سنتز در آب می تواند هزینه ی آزمایش را تا حد قابل توجهی کاهش دهد، ولی مقدار ودرجه خلوص نانو تیوب های بوجود آمده د راین آزمایش بسیار پایین است خصوصا اینکه مقداری از نانو لوله ها ممکن است در آب به صورت مخلوط وارد شود، که البته می توان با یک روکش گرافیتی از آن جلوگیری کرد. شکل الکترود ها وحالت قرار گرفتن آنها در سنتز قوس الکتریکی بسیار انعطاف پذیر است .تا کنون با آزمایشهائی که به وسیله این روش صورت گرفته حتی در زمانهایی که از کاتالیز گرها استفاده شده است ، محصول از نوع چند جداره بوده واین خاصیت آب در تشکیل نانو لوله های MWNTs است.

برای ارتباط با ما به صفحه ی تماس با ما مراجعه فرمایید

برای سفارش طراحی وب سایت به وب سایت زیر مراجه فرماییدhttps://mohsenmp.ir/

آموزش

روش تولید نانو کربنساختار نانو کربنکاربرد نانو کربننانو کربن چیستنانو کربن ها به چند دسته تقسیم میشوندنانو لوله تک جداره چیستنانولوله چند جدارهنانولوله کربنیهمه چیز درباره اسید نیتریکهمه چیز درباره نانو کربنهمه چیز درباره نانو لوله های کربنی

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *