2.3 Химическое газофазное осаждение углеводородов
Метод плазмохимического осаждения из газовой фазы (ПХО) основан на том, что газообразный источник углерода (чаще всего метан, ацетилен или моноксид углерода) подвергают воздействию какого-либо высокоэнергетического источника (плазмы или резистивно-нагреваемой катушки) для того, чтобы расщепить молекулу на реакционно-активный атомарный углерод. Далее происходит его распыление над разогретой подложкой, покрытой катализатором (обычно это переходные металлы первого периода Fe, Co, Ni и др.), на котором осаждается углерод. Нанотрубки образуются только при строго соблюдаемых параметрах.
Точное воспроизведение направления роста нанотрубок и их позиционирование на нанометровом уровне может быть достигнуто только при получении их методом каталитического пиролиза, поскольку местоположение катализатора определяет местоположение нанотрубок.
Метод каталитического пиролиза основан на том, что газообразный источник углерода разлагается на катализаторе на углерод, который адсорбируется и растворяется в катализаторе, и другие продукты реакции. Рост углеродных нанотрубок на катализаторе происходит по принципу образования зародыша углерода на поверхности капли катализатора с последующим его разрастанием и образованием наноструктуры.
Схема установки каталитического пиролиза углеводородов представлена на рис. 9.
Рисунок 9 – Схема установки каталитического пиролиза углеводородов
Размеры нанотрубки и ее структура определяются температурным режимом процесса, составом газовой фазы, составом и размером нанокластеров катализатора.
В роли катализаторов используются квазиаморфные плёнки никеля, золь-гель-катализаторы в этаноле (например, [Ni(NH3)6]Cl2, [Co(NH3)6]Cl2), окисленная сталь и другие.
Следует отметить, что в отличие от мелкодисперсных порошков железа и никеля необработанная подложка из стали и листовой никель не являются катализаторами роста нанотрубок. Это связано с высокой поверхностной энергией мелкодисперсных систем. Рост углеродных нанотрубок идёт по принципу гетерофазной нуклеации, то есть происходит на поверхности наночастицы с такой поверхностной энергией, которая больше или равна энергии активации реакции перехода углерода в углеродную нанотрубку.
В зависимости от диаметра частиц катализатора могут расти исключительно однослойные либо многослойные углеродные нанотрубки.
На практике данное свойство широко используется в технологии создания зондов для сканирующей зондовой микроскопии. Задавая положение катализатора на конце кремниевой иглы кантилевера, можно вырастить нанотрубку, которая значительно улучшит воспроизводимость характеристик и разрешающую способность микроскопа, как при сканировании, так и при проведении литографических операций.
2.4 Электролитический синтез
Основная идея этого метода состоит в том, чтобы получить углеродные нанотрубки, пропуская электрический ток между графитовыми электродами, находящимися в расплавленной ионной соли. Графитовый катод расходуется в процессе реакции и служит источником атомов углерода. В результате формируется широкий спектр наноматериалов. Анод представляет собой лодочку, сделанную из высокочистого графита и заполненную хлоридом лития. Лодочка нагревается до температуры плавления хлорида лития (604 ˚С) на воздухе или в атмосфере инертного газа (аргона). В расплавленный хлорид лития погружается катод, и в течение одной минуты между электродами пропускается ток 1–30 А. За время пропускания тока погруженная в расплав часть катода эродирует. Далее расплав электролита, содержащий частицы углерода, охлаждается до комнатной температуры. В состав продуктов входят закапсулированные частицы металла и многослойные углеродные НТ различной морфологии, включая спиральные и сильно изогнутые. В зависимости от условий эксперимента диаметр нанотрубок, образованных цилиндрическими графеновыми слоями, колеблется от 2 до 20 нм, длина достигает 5 мкм.
Представленные методы получения углеродных наноструктур широко применяются в научных целях. Однако важнейшая практическая задача – синтез качественного и недорогого углеродного наноматериала в необходимом для промышленного использования объеме. Она может быть решена посредством совершенствования технологического оформления метода каталитического пиролиза углеводородов. Именно данный метод обладает необходимой специфичностью в отношении конечного продукта, допускает применение различных исходных реагентов группы углеводородов.
Список литературы
Сладков А.М., Кудрявцев Ю.П. Алмаз, графит, карбин—аллотропные формы углерода // Природа. 1969.№ 5. с.37-44.
Елецкий А.В., Смирнов Б.М.Фуллерены и структуры углерода — Успехи физических наук, 1995, №9.
Размещено на Allbest.ru