Ein neuer Weg, Nanoröhren herzustellen: jetzt in Farbe

Kohlenstoffnanoröhren sind ein wesentlicher Bestandteil der modernen Technologie geworden. Dies wurde durch ihre mechanischen und elektronischen Eigenschaften sowie durch Nanometergrößen erreicht. Dieses Material wird in vielen Bereichen eingesetzt: von Batterien bis zu Displays. Die Qualität von Nanoröhren hängt in hohem Maße vom Chiralitätsindex ab (wenn zwischen der rechten und der linken Seite keine Symmetrie besteht). Je niedriger dieser Indikator ist, desto besser ist die Nanoröhre. Es gibt bereits mehrere Optionen zum Erstellen von Nanoröhren, und alle funktionieren. Dies bedeutet jedoch nicht, dass einige Enthusiasten nicht versuchen werden, ihren neuen Weg zu finden, der besser sein wird als ihre Vorgänger. Dies wird in der Studie besprochen, in der wir uns mit Ihnen befassen werden. Lass uns gehen.

Hintergrund

Denken Sie zunächst kurz daran, dass es eine Kohlenstoffnanoröhre gibt. Dies kann einfach unter dem Namen dieses Materials verstanden werden. Erstens handelt es sich um eine zylindrische Struktur (Röhre) von Graphitebenen, deren Abmessungen in der Größenordnung von mehreren Nanometern liegen können. Es gibt zwei Haupttypen von Nanoröhren: einwandige und mehrwandige (Bild unten).



In der heutigen Studie werden wir über einwandige sprechen. Um die neue Methode zur Herstellung von Nanoröhren vergleichen zu können, führen die Forscher mehrere existierende Methoden als Beispiel an, mit denen eine niedrige Chiralitätsverteilung erreicht werden kann, die für Nanoröhren äußerst wichtig ist. Die erste Methode - die nachsynthetische Verarbeitung - basiert meistens auf solchen Techniken:

• Ionenaustauschchromatographie * (IEX) von einwandigen Nanoröhren, die als DNA verdreht sind;
• Dichtegradientenzentrifugation * (DGU);
• Größenausschlusschromatographie * ;
• Zweiphasen-Wassertrennung * .

Ionenaustauschchromatographie * - eine Methode zur Trennung von Ionen und polaren Molekülen basierend auf den Ladungen der getrennten Moleküle.

Dichtegradientenzentrifugation * - Trennung von Makromolekülen anhand ihrer Verteilung in verschiedenen Teilen des Dichtegradienten.

Größenausschlusschromatographie * - Trennung der Moleküle nach Größe aufgrund ihrer hervorragenden Fähigkeit, in die Poren einer festen Phase (oder Flüssigkeit) einzudringen, die an einen inerten Träger gebunden ist.

Zweiphasen-Wassertrennung * - Verteilung der Partikel zwischen den Phasen eines Zweiphasen-Wassersystems.

Alle oben genannten Techniken sind irgendwie mit der Auflösung von etwas in etwas verbunden. Forscher glauben, dass dies ein großes Problem ist, da die Probe während der Auflösung kontaminiert sein kann. Dies wirkt sich negativ auf die Qualität der Nanoröhre und ihre Eigenschaften aus.

Die zweite Methode ist das direkte Wachstum von einwandigen Nanoröhren. Dies ist laut Wissenschaftlern frei von dem oben genannten Verschmutzungsproblem. Wachsende Nanoröhren verwenden ihre einzelnen Segmente, molekulare Kohlenstoffimplantate und Katalysatoren. Der Hauptnachteil des Wachstums ist die Komplexität dieses Prozesses und ein kleines Ergebnis.

Ein anderer Weg zur Herstellung von Nanoröhren, der auf den ersten Blick frei von Nachteilen ist, ist die chemische Gasphasenabscheidung mit einem schwimmenden Katalysator (FC-CVD). Auf diese Weise können Nanoröhren schnell und in großen Mengen hergestellt werden, und ihre Eigenschaften werden durch negative Änderungen nicht beeinträchtigt. Darüber hinaus können Nanoröhren auf einem Membranfilter zu gebrauchsfertigen Dünnfilmen zusammengesetzt werden. Es klingt alles sehr rosig, aber hier liegt ein kniffliger Moment. In einem Aerosolmedium können Katalysatoren Schwierigkeiten beim selektiven Wachstum von Nanoröhren mit geringer Chiralität verursachen. Dieses Problem kann durch Einbringen einer kleinen Menge NH ₃ gelöst werden, wodurch die chirale Verteilung eingeschränkt werden kann. N-Atome können jedoch Nanoröhren bei hohen Temperaturen kontaminieren und dadurch ihre elektronischen Eigenschaften verändern.

Welchen Weg man nicht berücksichtigt, wird es immer einen unangenehmen Nachteil geben, mit dem man rechnen muss. Die Forscher schlugen jedoch eine Option vor, wenn Sie die oben genannten Probleme vermeiden können.

Probenerstellung und Ergebnisse

Die Wissenschaftler beschlossen, keinen neuen Weg zur Herstellung von Nanoröhren zu finden, sondern den bestehenden zu verbessern, nämlich die chemische Gasphasenabscheidung mit einem schwimmenden Katalysator. Die Verbesserungsmethode erwies sich als recht einfach - Zugabe einer kleinen Menge CO ₂ .

Und jetzt in Ordnung. Einwandige Nanoröhren wurden aus CO (Kohlenstoffquelle) mit einem Volumenstrom von 350 cm ³ / min synthetisiert. Ferrocen ((η ⁵ -C ₅ H ₅ ) ₂ Fe) wirkte als Katalysator, getragen von einem CO-Strom mit 50 cm ³ / min.

Der Prozess des Züchtens von Nanoröhren wurde eingestellt, indem verschiedene Volumina von CO ₂ mit einem Volumenstrom von 0, 1, 1,5 und 2,0 cm ³ / min in den Reaktor eingeführt wurden, was solchen Volumenanteilen entspricht: 0, 0,25, 0,37 und 0,50 Vol .-%. Die Temperatur betrug 850 oder 880 ° C.


Reaktorbetriebsdiagramm

Die Einführung eines anderen CO ₂ -Volumens führte dazu, dass die Filme aus Nanoröhren in verschiedenen Farben erhalten wurden. Dies ist im Bild unten deutlich zu sehen. Diese Filme wurden bei einer Temperatur von 850 ° C erhalten.



Nach Durchführung der Transmissionselektronenmikroskopie und der energiedispersiven Röntgenspektroskopie stellten die Wissenschaftler fest, dass der Farbunterschied die Gesamtleistung der Nanopartikel und ihre Größe in keiner Weise beeinflusst. Es zeigte sich auch, dass die Proben eine hohe Reinheit aufweisen.


Transmissionselektronenmikroskopie (a, b, c) und Dunkelfeldmikroskopie (d, e, f) von drei Proben mit unterschiedlichen Volumenanteilen an CO ₂ .

Der durchschnittliche Durchmesser der Nanoröhren hängt auch direkt von der CO ₂ -Konzentration ab. Für 0, 0,25, 0,37 und 0,50 Vol .-% betrug der durchschnittliche Durchmesser 1,1, 1,3, 1,8 bzw. 1,9 nm.

Aufgrund der Tatsache, dass die Farbe des Films und der Durchmesser der Nanoröhren die CO ₂ -Konzentration widerspiegeln, ist es logisch anzunehmen, dass diese Verunreinigung auf die eine oder andere Weise die Eigenschaften der Nanoröhren selbst verändert.

In der grünen Probe (0,25 Vol .-%) werden ziemlich ausgeprägte scharfe Änderungen des Absorptionskoeffizienten bei einer Wellenlänge von etwa 610 nm und in der braunen Probe (0,37 Vol .-%) - bei 760 nm beobachtet.


Absorptionsspektrum von Proben mit unterschiedlichen Volumenanteilen an CO ₂ .

Andere Bilder (0 und 0,5 Vol .-%), bei denen solche Sprünge nicht beobachtet wurden, haben jedoch keine helle Farbe, sondern bleiben grau.

Um die Abhängigkeit der Chiralitätsverteilung (n, m) von der CO ₂ -Konzentration genauer zu betrachten, wurde eine elektronische Beugungsanalyse der Probe durchgeführt.


Elektronenbeugungsanalyse

Das Bild über ( a ) ist ein typisches Bild einer einwandigen Nanoröhre, und Bild b ist das Elektronenbeugungsbild (EDP) dieser Nanoröhre. Nach Analyse des Zeilenabstands wurde der Chiralitätsindex ermittelt - (16.13).


Elektronische Beugungsanalyse von Probe 0 und 0,25 Vol .-%.

Die Durchführung derselben Analyse von Arbeitsproben (Bilder oben) ergab signifikant bessere Ergebnisse: (8.7) und (11, 9).

Mit zunehmender CO ₂ -Konzentration _{nimmt auch der} Durchmesser der Nanoröhren zu. Bei einem Volumenanteil an CO ₂ von 0,25 Vol .-% beträgt der Durchmesser 1,0 - 1,5 nm. Dieser Indikator steht in direktem Zusammenhang mit der Absorptionsrate der Probe.

Es stellt sich heraus, dass die Probe mit dem optimalen Durchmesser der Nanoröhre und einem ziemlich guten Indikator für die Verteilung der Chiralität eine grüne Farbe hat. Ansonsten beobachten wir eine graue Farbe. Diese Bemerkung sollte mit der CO ₂ -Konzentration korreliert werden, dh ihr optimales Vol .-% beträgt 0,25.

Ein weiterer Indikator für die Struktur einer Nanoröhre ist der Chiralitätswinkel (der Winkel zwischen der Faltungsrichtung und der Richtung, in der benachbarte Sechsecke eine gemeinsame Seite haben).


Um die Röhre zu erhalten, dh die Graphitebene zu verdrehen, müssen Sie diese in gestrichelte Linien schneiden und entlang des Vektors R rollen.

Alle betrachteten Proben (0, 0,25 und 0,50) zeigten einen völlig zufriedenstellenden Chiralitätswinkel von 20 ° –30 °.

Eine Elektronenbeugungsanalyse wurde auch durchgeführt, um die elektronischen Eigenschaften des Bündels von Nanoröhren zu verifizieren. Wie sich herausstellte, hatten alle Röhren im Bündel unterschiedliche Chiralitätswinkel: 3,1 °, 18,9 °, 26,1 °.


Elektronische Beugungsanalyse eines Bündels von Nanoröhren.

Eine interessante Tatsache wurde ebenfalls entdeckt: Mit einem Anstieg der CO ₂ -Konzentration von 0 auf 0,50 stieg der Prozentsatz an Metallnanoröhren (dh elektrische Leitfähigkeit) von 29,8 auf 46,3%. Als die Konzentration jedoch 1,23 Vol .-% erreichte, nahm die Qualität der Nanoröhren stark ab.

Die Temperatur spielt eine ebenso wichtige Rolle bei der Herstellung von Nanoröhren. Bei höheren Temperaturen ist es möglich, die Geschwindigkeit der CO-Zersetzung zu verringern (die Grundlage für Nanoröhren in dieser Studie). Dies bietet die Möglichkeit, den Synthesevorgang mit einer geringeren chiralen Verteilung besser zu steuern.


Variationen in der Chiralität von (a) und Durchmesser (b) der Nanoröhren bei 0,25 Vol .-% CO ₂ und einer Temperatur von 880 ° C.

Vergleicht man diese Indikatoren mit ähnlichen, aber bei einer Temperatur von 850 ° C, so zeigt sich, dass die Chiralität viel geringer war und sich um (11,9) konzentrierte. Und der Durchmesser der meisten Röhren (mehr als 98%) variiert im Bereich von 1,2 bis 1,5 nm, was ein hervorragendes Ergebnis für diese Studie ist.

Ein Bericht von Wissenschaftlern über ihre Forschung ist hier verfügbar. Weitere Materialien (Grafiken, Bilder, Tabellen usw.) finden Sie hier .

Nachwort

Wissenschaftler sagen ehrlich, dass noch viel zu überprüfen ist. Für einige Indikatoren wie elektrische Leitfähigkeit und Durchmesser sind Proben ohne CO ₂ und mit CO ₂ nicht so beeindruckend, dass sie sich zu 100% eines bedingungslosen Sieges sicher sind. Die Bedeutung der Verwendung von CO ₂ bei der Herstellung einwandiger Kohlenstoffnanoröhren ist jedoch eindeutig nicht zu leugnen. Diese Technik erfordert weitere Untersuchungen und Verfeinerungen.

Unter anderem konnten Wissenschaftler erfolgreich Nanoröhren herstellen, deren Filme sich aufgrund unterschiedlicher Eigenschaften in der Farbe unterscheiden. Eine unterschiedliche CO ₂ -Konzentration verändert den Durchmesser der Nanoröhren und die Chiralitätsindizes, was zu verschiedenen Farboptionen für die Filme führen kann: Grün, Braun und Grau. Die Farbvielfalt solcher Materialien eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten, aber auch bei bestehenden werden Änderungen auftreten.

Diese Studie ist ein anschauliches Beispiel für einen außergewöhnlichen und innovativen Ansatz zur Lösung des "alten" Problems und eine Demonstration der bekannten Wahrheit "alles Geniale ist einfach".

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